记者：唐婷  朴淑瑜

主任：蒋最敏

时间：2007年3月29日

地点：复旦大学应用表面物理国家重点实验室

　　■编者按

　　表面物理学是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域，研究的重要性变得日益突出，已经成为一个交叉学科的新的生长点。

　　复旦大学应用表面物理国家重点实验室的前身，是成立于1978年的复旦大学物理系表面物理研究室。当时我国著名物理学家谢希德教授，根据国际最新发展动向，倡导在中国开展表面物理的科学研究，这个研究室就是在她的倡导和亲自领导下建立的。以复旦表面物理研究室为基础，经过十余年的努力，1989年经国家计委和教育部批准，复旦大学应用表面物理国家重点实验室开始建设，1992年建成。目前该实验室已成为我国表面物理研究的基地之一。

　　记者：蒋主任，说到物理，大家都不会陌生，可是前面加了“表面”两个字，一下子就感觉生疏起来了，你能给我们说说表面物理是研究什么的吗？

　　蒋最敏：好的。

　　表面物理学是20世纪60年代以后迅速发展起来的固体物理学中的一个重要领域，主要研究固体表面的微观结构及其他物理性质。

　　这里所谓的“表面”，是指固体表层一个或数个原子层的区域。由于表面层所处的特殊位置，使其各方面的性质与固体内部有着明显差别，表面物理学就是研究这几个原子层内原子的排列情况、电子状态，吸附在表面上的外来原子或分子，存在于表面几个原子层内的外来杂质以及相关的物理性质。

　　表面物理学的研究手段包括实验和理论两方面。实验上主要是以粒子束或射线束入射到固体表面，收集并分析入射束与固体表面相互作用后的产物，以得到关于表面区的各方面的信息。理论研究则是把传统的固体量子理论和量子化学理论应用到表面区，对表面区的微观粒子的运动状态及相互作用进行理论计算，并与实验结果作比较。同物理学的其他领域一样，在表面物理学的研究方面，实验和理论两种方法是相辅相成的。

　　对固体表面的研究有着重大的现实意义，例如半导体器件的性能受到固体表面状况的影响就很大，材料的老化和中毒等都与固体表面状况有关，金属和合金材料的腐蚀、磨损等问题就直接与固体表面的化学成分及物理性质有关，例如受控热核反应装置中等离子体与器壁表面的相互作用机理就涉及表面特性等。

　　随着新材料的不断出现、材料结构的尺度和维度随之下降，表面积增大，表面物理研究的重要性变得日益突出，已经成为一个交叉学科的新的生长点。

　　记者：蒋老师的解释让我们对表面物理有了个初步的认识，接下来，请您给我们介绍一下应用表面物理国家重点实验室主要的研究方向和内容吧。

　　蒋最敏：我们实验室主要从事与发展新型半导体材料和器件有关的表面和界面问题研究。根据国际学术界的发展新动向，我们结合实验室自身优势，特别是人才条件，及时调整和拓宽研究方向和内容。目前我们实验室重点的研究方向和内容包括如下五个方面。

　　一是计算凝聚态物理研究。我们主要是用第一性原理理论研究半导体、金属表面及界面结构与电子态，从原子尺度的微观角度给出表面、界面的详细信息，从而对发生在半导体和金属材料的表面、界面的过程与变化的相关规律有深入的了解和认识，为发展和设计新型材料和器件提供理论基础和研究方法。

　　二是表面与界面物理研究。我们主要是运用表面物理学的知识和方法，来设计、剪裁各种材料和器件的特性，这也是当今材料科学、微电子学、纳米科学与技术等领域中的发展趋势，具有重要的基础意义和广泛的应用前景。

　　三是半导体光电子物理研究。半导体低维量子体系具有许多三维体系中所没有的或者看不到的新的物理现象，了解这些现象的本质，不仅能够有力地推动低维凝聚态物理这一前沿学科的发展，而且能够大大促进新型半导体光电子材料和器件的探索、开发和应用。

　　四是磁性与强关联物理研究。这是当今磁学和强关联物理发展的前沿热点课题，也是磁电子学（或称为自旋电子学）发展的重要基础，探索它们的特殊性质和机理，为研发下一代具有特殊功能的包括自旋电子学在内的量子器件提供物理学和材料学基础。

　　五是光子晶体与电磁功能介质物理研究。本方向主要研究光子晶体及基于共振微元的人工电磁功能介质光子晶体中光波（电磁波）的传输/透射/散射等性质。通过本方向的研究，期望不仅能发掘出这些人工电磁介质对光波（电磁波）的调控作用的物理机理，更期望能发现新现象及开发出有应用前景的新型光子器件。

　　我们的总体定位是，立足于因特网、信息时代对凝聚态物理学科发展的要求，紧紧围绕微-纳电子学、光电子学和磁电子学所需的无机和有机半导体、铁磁金属和光子晶体等信息功能材料，开展对凝聚态物质的表面、界面、薄膜以及介观和低维量子体系等物性的研究，从微观角度去认识新现象、揭示新规律。

　　记者：牛顿在数百年前就指出孔雀等鸟类的羽毛颜色不是来源于色素，而是源自材料结构和光学的神奇作用。据我们所知，应用表面物理国家重点实验室有一项研究成果揭示了孔雀羽毛为什么那么绚丽多彩的奥秘，您能给我们介绍一下吗？

　　蒋最敏：自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些动物经过进化却选择了结构颜色，即依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。牛顿第一个提出包括孔雀等鸟类的羽毛、昆虫等的颜色来源于薄膜干涉。过去人们也知道许多鸟类包括孔雀的羽毛中存在有规律的周期结构，但对孔雀羽毛等颜色来源的物理机制还没有清晰的了解。

　　我们光子晶体课题组通过电子显微镜观察、光学测量以及理论模拟揭示了孔雀羽毛颜色绚丽的物理机制。发现与薄膜干涉不同，孔雀羽毛的颜色策略非常精妙，孔雀羽毛小羽枝表皮下面存在着精微的黑色素和角蛋白构成的二维光子晶体是羽毛绚丽色彩的根本原因。

　　孔雀羽毛的颜色是通过两种物理调控方式来实现的，一种是调控光子晶体的周期长度，另一种是调控光子晶体的周期数目。改变光子晶体的周期长度会产生不同的颜色，如蓝、绿、黄等。棕色羽毛还利用了Fabry-Perot干涉效应，其周期数目最小，由Fabry-Perot效应产生额外的蓝颜色，形成混合色而呈棕色。

　　这项工作使我们首次了解了孔雀羽毛绚丽色彩产生的详细的物理机制。我们的研究结果发表在2003年10月的《美国科学院院刊》上。文章发表后，在国际上引起比较大的反响，美国的《科学美国人》、《探索频道》等科学或科普媒体迅速予以报道，称“中国科学家揭示了孔雀美丽的奥秘”。2004年1月的美国物理学会会刊《PhysicsToday》在“探索与发现”栏目也对我们的工作给予了详细的评述。

　　我们从自然界中的光子结构和结构色中得到的许多启示，可以启发人类在控制色彩、视觉干扰、伪装甚至在显示技术方面的新思路，如增加视觉或产生视觉干扰，甚至可能在未来的显示技术方面探索一条新路子。

　　记者：自然界真的是很奇妙。我们还了解到应用表面物理国家重点实验室在有机发光器件的表面与界面问题研究中也取得了一些成果，您也给我们介绍介绍吧。

　　蒋最敏：在有机电致发光器件中，在电极和有机层之间引入有绝缘材料构成的缓冲层，是提高载流子注入和光输出的一种有效方法。虽然这一技术已经在有机电致发光器件中广泛使用，但对其机理认识还不清楚。

　　我们通过理论模拟和实验测量相结合的方法，提出并证实了能很好说明这一现象的隧穿模型，对如何选取用作缓冲层的绝缘材料及其最佳厚度、缓冲层的作用与电极材料的起始功函数之间的关系、缓冲层的“双亲”特性对改善有机—无机结合的可靠性，以及插入载流子阻挡层对两种载流子平衡的调控等一系列问题，做出了正确的理论预言和实验验证，可望对有机发光器件结构的进一步改进以及性能的进一步提高起到一定的指导作用。

　　我们在对有机多层结构中掺杂材料的特性研究上也取得了一些成果。对有机发光材料进行掺杂可以改变器件的发光波长等重要性质，但掺杂效果的好坏在很大程度上取决于掺杂材料自身的物理和化学特性以及基质材料与掺杂材料之间能否有效地进行能量转移等因素。

　　我们通过对典型的红光掺杂材料DCM在不同结构和掺杂条件下光致发光特性的深入研究，获得了DCM的最佳掺杂浓度、在Alq中对激子的俘获半径和DCM分子在Alq中的聚集对器件性能的影响等一系列重要的结果，为器件设计提供了依据。