对称破缺与ZnO、MgO纳米晶形成过程

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随着量子场论与弦论等学科的发展和我们对基本粒子行为的不断了解,对称破缺理论日益显现出其在当代物理研究中的重要性和深刻性,并不断在其它宏观、宇观领域得到进一步的应用和发展。相比之下,介观物理作为物理研究重要组成部分之一,却与对称破缺理论鲜有关联。纳米晶是材料科学、晶体学和介观物理的交叉领域,研究纳米晶与对称破缺的关系,不但有助于探究对称破缺理论的普适性,也是将新观念引入结晶学和纳米科学的创新和尝试。本文选取ZnO和MgO纳米晶作为研究对象,通过探讨两类晶体的生长机理,阐述了它们的形成过程与对称破缺的关系。在ZnO纳米晶的研究过程中,我们在希格斯子机制的启发下,遵循对称破缺原理揭示了一系列ZnO的生长过程,并据此提出了一套新的ZnO纳米晶生长机理,该机理可解释多种不同形貌的ZnO纳米结构,其合理性得到了实验验证。实验同时表明,对称性自发破缺原则明确存在于ZnO纳米晶的形成过程中。在MgO纳米晶的研究过程中,我们制备了特殊取向和形貌的MgO纳米线,并研究了该纳米线的形成机理,论证了对称性动力学破缺在该纳米晶形成过程中的作用,阐释了该MgO纳米线的生长过程是对称性动力学破缺过程,同时揭示局域净电荷起伏是导致该MgO纳米晶对称性破缺的动力学因素。我们的工作完成了探讨介观尺度对称破缺的初衷,将对称破缺的两种模式——对称性自发破缺和对称性动力学破缺,成功地应用于探究纳米晶的形成机理,介绍了纳米晶形成过程中出现的、以前从未被发现过的规律。我们的工作丰富了结晶学的内容,为理解纳米晶的形成过程提供了全新的视角。我们的研究过程证明了对称破缺机制在介观领域的适用性,有助于人们加深对对称破缺理论的认识。本文主要结论包括:1.对称破缺机制适用于介观领域,可以为揭示纳米晶的形成过程提供关键线索;应用该机制可以有效地甄别晶体生长机理的合理性。2.用于全面描述晶粒对称性的体系对称性概念是纳米晶形成过程中对称破缺的主体。3.一系列ZnO纳米晶的形成遵循对称性自发破缺机制,根据该机制提出的ZnO纳米晶形成机理被实验证明成立;同时,广为接受的“四脚ZnO晶体生长的第三模型”被证伪。4.我们制得的<110>取向的Mg0纳米线的形成过程受对称性动力学破缺机理支配,局域电荷起伏是导致其对称性破缺的动力学因素。5.部分纳米晶结晶过程有完全不同于传统结晶学理论的形成方式。纳米晶在晶体学背景下有其特殊性。6.纳米晶形成过程中的对称破缺完全是定域子体系的对称破缺,区别于朗道相变理论中既包括定域子又包括离域子的统计学对称破缺。
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