新材料的奠基人——诺维尔.弗朗西斯.莫特

诺维尔·弗朗西斯·莫特,1905年9月30日出生于英国利兹,他的父母均为物理学家,并都曾在英国著名的卡文迪什实验室当过第三任主任汤姆逊(J.J.Thomson,1856-1940)的学生.他们对莫特的影响很大,使他早在孩提时期就下决心要成为物理学家.莫特10岁前,因身体欠佳,未进学校读书,由其母亲在家给他授课;13岁时,进入克利夫顿学院学习.

1923年莫特进入剑桥大学圣约翰学院学习数学,1927年获得硕士学位.莫特早期研究原子碰撞理论,并与马塞(H.S.W.Massey)在1933年联名出版了权威的《原子碰撞理论》一书,书中讨论了带电粒子的“莫特散射”.后来莫特转入固体物理学的研究,1936年莫特和琼斯(H.Jones)合著了《金属与合金性质的理论》,1940年和格尼(R.W.Gurney)合著了《离子晶体中电子过程》,对现代固体物理学的形成和发展有重要的影响.第二次世界大战后,莫特等人研究了晶体缺陷及其对力学性质的影响.20世纪60年代起,莫特致力于发展无序体系及非晶态物质的电子理论研究,有力地推进了非晶态物质研究的进展.1971年莫特和戴维斯(B.A.Davis)合著了《非晶态物质的电子过程》.莫特因对磁性与不规则系统的电子结构所作研究的贡献,于1977年与安德逊(Philip Warren Anderson,1923-)、范弗莱克(John Hasbrouck Van Vleck,1899-1980)一起因对磁性和无序系统的电子结构的基础性研究,共获诺贝尔物理学奖.

莫特从20世纪50年代开始研究无序体系物质.他在安德逊局域化理论的启发下,深入探索了非晶态体系中的电子过程,使安德逊局域化理论更加完善,并使之得到了广泛的应用.他把能带理论用于非晶态物质,描述了这类物质中的电子行为,成功地解释了它们的导电特性.他首先注意到:在晶态体系中锐利的能带边完全是由于原子排列的同期性引起的;而非晶态体系,则是由于原子排列的无序性使能带拖着一个“尾巴”,呈现出一些分立的能级,因此电子只能局限在材料中某个确定的位置.他进一步指出:每个能带都有着延展态和局域态的明确分界处.在安德逊局域化出现之前的一刹那,电导率为一常数,这个常数称为“最小金属态电导率”.莫特给出了分别相应于高温和低温情况的两个简洁的电导率公式.他把电导率的微观图景看成温度T的函数,描述了电导率决定于费米能级和迁移率边界的相对位置,从而导致了他后来的两项最重要的贡献:最小金属电导率和T1/4跳跃.差不多在同一时期,科恩、弗里茨斯克和奥费辛斯基对这一理论也做出了各自的贡献.因此,后来人们把他们的理论称为“Mott-CFO(莫特-科弗奥)模型”.这个模型是非晶态体系中电子能态的最基本的模型.莫特开拓了作为固体物理新领域的非晶态物质电子过程的研究,被誉为这个新的分支学科的奠基人.

莫特自1954年起在英国最著名的卡文迪什实验室担任主任,直到1971年.卡文迪什实验室是以英国物理学家和化学家卡文迪什(Hey Cavendish)命名的.卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory)相当于英国剑桥大学(University of Cambridge)的物理系.据不完全统计,卡文迪许实验室从1874年至1989年一共产生了28位诺贝尔奖得主.

从卡文迪什实验室的科研成就,我们似乎不难看出诺维尔·弗朗西斯·莫特获得诺贝尔物理学奖的必然.这里列举几任主任的科学成就.

第一任主任是著名物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)(1831-1879)负责筹建这所实验室.1874年实验室建成后他担任第一任实验室主任,直到他1879年因病去世. 按照麦克斯韦的主张,物理教学在系统讲授的同时,还辅以表演实验,并要求学生自己动手.表演实验要求结构简单,学生易于掌握.麦克斯韦说过:“这些实验的教育价值,往往与仪器的复杂性成反比,学生用自制仪器,虽然经常出毛病,但他们却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西.学生用仔细调整好的仪器易产生依赖而不敢拆成零件.”从那时起,使用自制仪器就形成了卡文迪什实验室的传统.

第二任主任是瑞利(James William Rayleigh, 1842-1919).他因在气体密度的研究中发现氩而获1904 年度的诺贝尔物理学奖.瑞利在声学和电学方面很有造诣.在他的主持下,卡文迪什实验室系统地开设了学生实验.1884年,瑞利因被选为皇家学院教授而辞职.

第三任主任是年仅28岁的J.J.汤姆逊(J.J.Thomson,1856-1940).他因通过气体电传导性的研究,测出电子的电荷与质量的比值获1906年度的诺贝尔物理奖.汤姆逊对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献.在他的建议下,从1895年开始,卡文迪什实验室实行吸收外校及国外的大学毕业生当研究生的制度,建立了一整套培养研究生的管理体制,树立了良好的学风.

第四任主任是汤姆逊的学生卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937).卢瑟福是一位成绩卓著的实验物理学家,是原子核物理学的开创者.他因在揭示原子奥秘方面做出的卓越贡献获1908年度的诺贝尔化学奖.

1937年卢瑟福去世,由W.L.布拉格(William Lawrence Bragg)继任实验室第五任主任.W.L.布拉格与其父W.H.布拉格(William Hey Bragg)因在X线衍射分析晶体结构方面的成就共获1915年度的诺贝尔物理学奖.

第六任主任则是莫特,莫特所提出的Mott-CFO模型,建立了非晶态半导体的电子理论,从而打开了新材料应用的大门.非晶态半导体在太阳能电池、复印材料、存储器等方面都有广泛的应用,非晶态半导体优异的防辐射性能使之可用于宇航、核反应堆和受控热核聚变等场合.目前研究最多的是非晶态太阳能电池,因为非晶态制备工艺简单,易制成大面积器件,薄膜厚度只需约1微米,对太阳光吸收效率高,非晶硅场效应晶体管用于液晶显示和集成电路也在实验之中.

莫特的研究成就将是21世纪引领新材料发展的动力,非晶态材料势必会占领科学、技术、产业各个领域,它们将成为新型固体材料的大家族,莫特的科学研究成果将会开拓出许多新课题,有着广泛的运用前景.

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