知名人物吴全德人物简介

Posted 2022-04-02 知

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知名人物吴全德人物简介

·吴全德

吴全德，电子物理学家、电子物理教育家。我国光电阴极理论研究的开拓者，在国际上最先解开银氧铯光电阴极发射机理之谜。提出金属超微粒-半导体薄膜光电子发射模型和固体基质中超微粒子的成核、生长理论，国际同行称之为吴氏理论。对光电子发射和超微粒-固态基质薄膜物理的发展做出了重要贡献。

吴全德，1923年12月12日生于浙江黄岩，父亲吴甘霖从事商业，在城郊开设小酒店，酿造并销售黄酒，母亲从事家务劳动。吴全德幼年聪慧，1935年以优异成绩毕业于浙江海门省立台州中学附属小学，同年升入台州中学初中部，1938年进入该校高中部;1939年因日本侵略军入侵而转入黄岩县中学，至1943年春毕业。他的学习成绩一直优秀，名列前茅，因此父亲节衣缩食设法支持他升学深造。吴全德1943年离开家乡，经过长途跋涉来到昆明进入西南联合大学学习。抗战胜利后，1946年随清华大学回到北平继续学习。1947年以优异成绩毕业于清华大学电机系。同年进入该校物理系任助教。1952年院系调整时转到北京大学物理系任讲师。1953年任电子学教研室主任，1955年任电子物理教研室主任，并开展电子学方面的研究。1958年该室开始制红外变像管。1959年北大建立无线电电子学系，电子物理专业被划归到该系，他也转到该系，继续任原职，1961年被提升为副教授。在讲授阴极电子学课程的同时，进行了光电阴极的研究工作，在1963年首先提出了阴极的固溶胶理论。1966年提出离子晶体或共价晶体中固溶胶粒的形成和生长理论。1978年晋升为教授。由于他在电子物理学方面的卓越成绩，1991年被选为中国科学院院士。1979年提出银氧铯阴极含银超微粒子的能带模型，推导出光电流密度和量子产额公式。此公式被国外学者称为“吴氏输运函数”，称吴全德所提出的光电阴极的固溶胶模型和光电子发射的理论为“吴氏理论”。“金属超微粒-半导体薄膜材料的结构和特性”的研究，获1987年国家自然科学三等奖和国家教委科学进步二等奖，1993年中国科学院自然科学二等奖。

吴全德的夫人张增慧在中国科学院心理研究所从事科研工作。他们于1950年结婚，有一个女儿。

从1956年至1998年，吴全德在国外刊物和学术会议上共发表论文百余篇。曾十多次出国访问和参加在法、英、美、日、德、荷等国举行的国际学术会议，并应邀作学术报告;1990年应前苏联科学院的A.M.布洛霍洛夫(Prokhorov)院士的邀请，访问了前苏联。

吴全德曾任物理学报编委，中国电子学会理事，国防科工委夜视专业组副组长，电子工业出版社顾问，北京大学学术委员会委员，国家计委世界银行贷款项目“重点学科发展项目”专家组成员，国家自然科学基金委信息科学部电子学学科评审成员，东南大学分子与生物分子电子学国家教委开放研究实验室学术委员会主任;现任“光电子学”学报编委;北京理工大学顾问教授，西安交通大学电子物理与器件国家教委开放实验室学术委员会主任，中国科学院真空物理实验室学术委员会副主任，北京大学纳米科学与技术研究中心主任，“纳米电子学基础研究”重大基金项目负责人。

解开银氧铯光电阴极发射机理之谜

50年代，根据国家对夜间观测的需要，吴全德开始了光电阴极方面的研究工作。他进行了较深入的理论和实验研究，尤其是对银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极的结构和光电子发射机理的研究取得了重要的成果。(Ag-O-Cs)光电阴极(也称S-1阴极)是最早(1929年)发明的实用光电阴极。世界上第一只电视摄像管和第一只红外变像管就是利用这种阴极制成的。它具有较高的近红外灵敏度和复杂的光谱响应特性，至今在红外光电子转换和探测仪器中仍被广泛应用。在激光出现以后，它的优越的超短脉冲检测特性和多光子效应受到光电专家的重视。但它的发射机理长期没有被认识清楚，长时期以来多数人认为这个阴极是半导体结构，但用半导体模型解释该阴极特性时又遇到很多矛盾。这样，有些学者认为S-1阴极的发射机理是个谜。吴全德为我国能尽早将银氧铯光电阴极用于军事夜视和船只雾天红外观测，凭借他深厚的物理功底和渊博的科学知识，对银氧铯光电阴极进行了深入的理论和实验研究。他收集和分析了国内外对银氧铯光电阴极研究的结果和数据。当时应用较多的两种实用阴极材料是锑铯和银氧铯。前者可用碱金属锑化物离子晶体形成的半导体模型对其光电子发射机理给出满意的解释。学者们同样也用半导体模型说明银氧铯阴极的光电子发射，但吴全德明确地指出了银氧铯发射机理的半导体模型与实验结果的几点主要矛盾。他注意到在银氧铯阴极中含有比作杂质量大得多的银量，这样大的银量可能在基质中凝结形成小胶粒，这种银胶粒对于光电发射有重要的贡献。基于这种认识，他于1963年首先提出了这种光电阴极的固溶胶模型，指出这种光电阴极的结构是金属银超微粒埋藏于氧化铯半导体中。他从理论上讨论了基质中金属微粒的成核、生长条件，提出了离子晶体或共价晶体中固溶胶粒的形成和生长理论，并给出了金属超微粒-半导体薄膜的能带结构和电子态分布，以此为基础讨论了Ag-O-Cs光电阴极的导电机理、光吸收、光电激发和光电子输运过程，以及光电子发射的量子产额公式。在这个领域，吴全德最先用这种模型、理论和公式定量地阐明了Ag-O-Cs光电阴极的结构和特性，并从理论上得出对长波光电发射有贡献的平均银超微粒的直径为3.1nm。大量的科学实验证实了这个模型是合理的，用这个理论较好地解释了实验结果。这些结果得到了国内外同行学者的验证和引用，并称这个理论为“吴氏理论”，斯坦福大学材料科学与工程系C.W.Bates教授称上述光电量子产额公式中的积分函数为“吴氏输运函数”。他的研究成果也被国内一些学者在专著和高等学校教科书中引用。

我国光电阴极研究的开拓者

在锑铯(Cs₃Sb)光电阴极作为实用阴极被广泛应用的时候，人们发现当多种碱金属同时与锑形成化合物时，有更强的光电转换能力，这些阴极包括Na₂KSb，K₂CsSb，Na₂KSb[Cs]，NaKRbSb[Cs]等，统称为多碱光电阴极，其中Na₂KSb[Cs]有最大的光电灵敏度和最好的光谱响应范围。在60年代后期，多碱光电阴极获得广泛应用，它是在可见光、近紫外和近红外范围有较高灵敏度的实用光电阴极，是高增益高分辨率像增强器发展的基础，已成为第二代像增强器和微光夜视仪的主要阴极。但对它的光电发射机理的讨论，一般都采用单晶半导体模型。他在1985年与合作者一起对“多碱效应”作出了实质性的解释，并提出了多晶光电发射模型和对光谱响应有影响的两个参量，即晶粒间界处的位垒高度和光电子的界面损失率，从而能对光谱响应的变化给出解释，指出了随制备工艺的不同会产生结构与特性的差异。当时人们发现碱金属锑化物阴极中，二碱的比一碱的性能好，三碱的比二碱的性能好，以此类推四碱的(如NaKRbSb[Cs])应该比三碱的性能更好。吴全德认真地研究了这些阴极的原子结构，以及结构与性能的关系，认为其晶体结构为立方型密堆的原子密度大，贡献于光电发射的电子密度亦大，从理论上说明了Na₂KSb[Cs]立方型结构有最小晶格常数;铯不加入阴极薄膜体内的点阵结构，只参与表面和晶粒界面作用，有最佳的光电发射性能;而四碱阴极，由于Rb的加入使阴极结构晶格常数变大，其性能不会比三碱的好。理论的预言为后来的实践所证实，使我国实用光电阴极的发展没有走入歧途。对多碱阴极的理论研究结果，指出了提高多碱光电阴极方向是长大阴极薄膜中的晶粒，并从理论上计算了阴极晶粒大小与灵敏度的关系，为我国实用光电阴极的发展作出了贡献。

固态基质中超微粒成核与生长理论的建立

吴全德在光电阴极的研究方面取得突破性成果的同时，扩展了他的研究范围，研究了在更普遍的情况下原子团和超微粒成核和生长的理论，给出了在介质或半导体中形成原子团和超微粒的理论公式和物理条件。

超微粒是指粒度在1～100nm之间的粒子，亦称纳米粒，早期的研究称之为胶粒，对它的研究已有相当长的历史。如果这些胶粒悬浮在气体、液体或埋藏于固体之中，则称之为气溶胶、液溶胶或固溶胶。这些溶胶体在物理、化学和气象学中有着广泛的应用。

最后二三十年重新兴起的超微粒研究集中在固体超微粒方面。有些人将小于10nm的粒子称为原子团，介于10～100nm之间的称为超微粒。固体超微粒有很大的表面体积比，它的表面效应非常突出。当粒度很小时，量子效应与其尺度有明显的依赖关系，称为量子尺寸效应。这种纳米级粒子具有不同于原子物理和固体物理中所讨论的固有特性：它既不是严格的宏观体系，也不是严格的微观体系，而是介于两者之间，有人称之为介观结构。介观结构材料分为两大类：一类是用分子外延技术和亚微米加工技术制成的纳米结构和器件，以及在此基础上发展起来的一维量子线，零维量子点和二维电子波导器件等;另一类是将金属或半导体超微粒无规则地埋藏于半导体或绝缘体基质中，或有规则地组装在有机基底表面上。这些超微粒结构材料具有许多独特的性质，在现代科技中有极其重要的应用价值。

超微粒子形成和生长过程是十分复杂的，对其形成和生长的理论研究无疑对这种材料的研制和生产提供重要的理论依据。但由于介观结构的独特性，这方面的理论研究工作是十分复杂和困难的。吴全德于1996年提出了离子晶体或共价晶体中固溶胶粒形成和生长理论。这个理论的主要模型是当外来杂质原子加入共价晶体或离子晶体时，随着杂质原子数量增加，掺杂原子有可能形成原子团或超微粒。从稳定体系自由能最小的原理出发，通过严格的公式推导，给出了固体基质中杂质原子团成核和生长的条件，其结论明确指出这是一个热力学亚稳体系。在某些条件下，粒子会消失或继续长大。这个理论为大量实验所证实。成为有特色的固体基质中超微粒成核、生长的成熟理论。

金属超微粒-半导体功能薄膜的探索者

吴全德意识到薄膜技术在高科技各个领域的重要性，而薄膜生长的基础包括成核、生长、连续成膜和外延等，在这方面还没有完整理论。他将三维固体中外来杂质原子形成原子团的成核、生长过程推广到基底上二维平面薄膜的成核生长过程，从而充实和发展了薄膜的形成理论。

在基底上多晶薄膜的形成过程包括四个阶段：临界核形成，粒子长大，形成迷津结构和形成连续膜。单晶膜的生长，一般可以分为三种模型：1.逐层生长，每层都是二维成核和生长，其原子排列与基底的取向一致，膜表面平整。2.岛状生长，先出现二维核，形成三维岛，进而岛间接合，形成连续膜，缺点是表面不平整。3.岛在层上生长，原子排列与基底取向一致，膜表面不平整。

人们虽然从薄膜的角度对原子团和超微粒的形成和生长进行了大量的研究，但还有许多现象和本质问题未被认识。因此吴全德研究了在固体表面原子团形成的物理条件，1987年提出了固体表面上原子团和超微粒的形成和生长理论，并推广到外延生长条件。讨论了薄膜形成的一般过程和稳定外延生长的条件，指出了成核、生长和外延生长的互补性，给出了有关公式。这一理论工作在薄膜制备和固体器件加工及外延生长条件等方面有重要意义。

在这个理论指导下，可以有目的地控制制备金属超微粒-半导体薄膜和金属超微粒-绝缘体薄膜。这类薄膜具有独特的光学、电学、磁学和光电性质。它可以制成光和电磁波强吸收材料，超短光脉冲检测薄膜，光学双稳态材料，以及多种气体敏感薄膜。因此，这类薄膜是目前人们感兴趣的研究课题。

在上述研究的基础上，吴全德与合作者以及他所指导的研究生进行了金属超微粒子的结构和特性的系统实验研究。至今，人们在这个领域中研究较多的是在惰性气体中制备原子团和测试原子团的特性。而吴全德则比较深入地研究了悬浮在介质或半导体中的金属超微粒子薄膜的结构与特性，特别是它们的光电特性，从理论和实验上给出了一系列的研究结果。其中一项重要的结果是银超微粒-氧化钡(Ag-Ba-O)光电发射薄膜的发明。它与银氧铯薄膜相似，是属于金属超微粒镶嵌于氧化物半导体中的薄膜，其区别是用金属钡代替了铯，因此Ag-Ba-O薄膜作为光电发射材料有更好的稳定性。实验发现此薄膜可存放在大气中，置入真空系统中不需再激活即可有较好的光电发射能力，很有希望用于动态系统中，如条纹相机作为超短光脉冲信号的检测光电阻极和超导腔加速器或自由电子激光器中作为激光驱动的电子注入器，因为Ag-Ba-O薄膜具有极快的光电响应速度。此项发明申请了专利，这是在理论指导和实验研究中得到的一种新型功能薄膜。

这些成果表明了吴全德的研究工作有其独到的开创性和先进性，因此获得了1987年国家自然科学三等奖和1988年国家教委科学技术进步二等奖，1993年获得了中国科学院自然科学二等奖。

电子物理学教学领域的辛勤耕耘者

吴全德长期在教学第一线工作，50年代就在北京大学理科系讲授电子学课，将当时以电真空管为主要电子元件的无线电电子学知识传授给学生。同时给电子学专业开设阴极电子学课，结合北大研究和教学实验编写阴极电子学讲义，其教材为后来我国很多高等院校采用，特别是其中光电阴极部分具有独到见解，被引用到多种讲义和公开出版的教科书中。他给大学生和研究生讲授的课程有：电子物理，原子物理，电子发射与电子能谱，电子材料的原子结构和电子结构，薄膜物理，表面电子学等课程。与同事合著出版的教学参考书有：《薄膜物理》，《电子发射与电子能谱》。50年来培养了相当数量的大学生和数十名博士生和硕士生，以及博士后。

吴全德任电子物理教研室主任多年，他所领导的电子物理专业在1984年被批准为博士点。电子物理专业在薄膜物理，表面电子学，非晶材料物理，电子离子束学和真空物理等学科领域有较坚实的研究基础，1988年国家教委批准电子和离子束物理专业为国家重点专业，博士后流动站。1998年改名为物理电子学专业。

吴全德1994年4月至1998年2月主持了“八.五”国家自然科学基金重大项目“几种新型薄膜材料的基础研究”，之后又负责“九.五”重大项目“纳米电子学基础研究”(1998年4月至2002年3月)。现正带领国内一批著名学者组成老中青结合的学术队伍，为在纳米科学与技术领域争得我国的自主知识产权而努力奋斗。随着科技的发展，纳米科技成为重要的研究领域。为发挥北京大学的综合学科优势，1997年9月成立了“北京大学纳米科学与技术研究中心”，吴全德任中心主任，领导纳米电子学、纳米化学、纳米生物学、介观物理和微机械电子系统等五个研究室。这个中心在承担各种研究课题过程中，形成了高水平的师资队伍，培养着大批的博士生、硕士生和本科生，成为先进的颇有成效的人才培养基地。

吴全德热爱自己的事业，在教学工作中既强调要有一定的系统性，又注意随时吸收科技发展的新成果，指出可以开展研究的方向，以开阔眼界，活跃思路，因而受到学生欢迎。

吴全德在谈到科研的经验时说，科学的任务是发现解释各种自然现象，深化人们对自然界的理解，并将之总结提高成规律。科学与技术可以互相促进，推动社会发展。理科研究生应热爱自己的工作，联系实际，掌握发展动态，接触自然现象，细心地观察，认真地思考，在科研工作中培养自己的独立工作能力和创造性。

简历

1923年12月12日出生于浙江省黄岩县。

1943～1946年在西南联大电机系学习。

1946～1947年在清华大学电机系电信组学习，47年毕业。

1947～1952年任清华大学物理系助教。

1952～1959年任北京大学讲师，1953～1955年任电子学教研室代主任，1955年为主任。

1959～1961年任北京大学无线电电子学系讲师，电子物理教研室主任。

1961～1978年任北京大学无线电电子学系副教授。

1978～1991年任北京大学无线电电子学系教授;室主任至1988年。

1991～任北京大学无线电电子学系教授，当选为中国科学院(技术科学部)院士。

主要论著

1 吴全德.阴极的固溶胶理论.第一次全国电真空器件专业学术会议文集，1964，371～389

2 吴全德.离子晶体中固溶胶的形成和生长以及施主原子浓度(Ⅰ)，(Ⅱ).物理学报，1966，22(1)：1～16;17～28

3 吴全德.用电子显微镜观察银氧铯光电阴极的银胶粒和银颗粒.物理学报，1979，23(4)：553～563

4 吴全德.银氧铯光电阴极的长波光谱响应和固溶小胶粒.物理学报，1979，28(5)：603～621

5 Wu Quan De(吴全德) and Liu Xi-Qing.Electric conduction of metallic Ag particles-Cs₂O semiconductor thin films.J.Vac.Sci.Technol. 1983，A1(2) ：371～375

6 范耀良，吴全德.多碱阴极的多晶特性.电子学报，1983，2：26～32

7 Wu Quan De and Liu Li-Bin. Multial kali and polycrystalline properties of multial kali antimonide photocathodes. Advances in Electronics and Electron Physics，1985，64B：375～383

8 Wu Quan De，Xue Zeng Quan et al. Optical properties of Cs₂O and Ag-Cs₂O thin films. J. Vac. Sci. Technol. 1987，A5(4)： 1960～1964

9 Wu Quan De，Formation and growth of clusters and ultrafine particles on solid surfaces. J. De Physique，1987，48(C6)： 531～536

10 吴全德，薛增泉.金属微粒-半导体薄膜中小胶粒的光吸收与散射.物理学报，1987，36(2)：183～190

11 张旭，吴全德.银超微粒子-氧化钡薄膜多光子光电发射特性.真空科学与技术，1988，8(6)：355～360

12 Wu Quan De.Nucleation and growth of ultrafine particles and condition of epitaxy.Chinese Phys.Lett.1988，5(4)：173～176

13 吴全德等.超微粒子-半导体薄膜的结构和特性，物理，1989，18(7)：407～408

14 Wu Quan De. Nucleation and growth of vapor phase deppsition on solid surfaces，Vacuum，1990，41(4～6)：1431～1433

15 薛增泉，吴全德.薄膜物理.北京：电子工业出版社，1991

16 薛增泉，吴全德.电子发射与电子能谱.北京：北京大学出版社.1993

17 吴全德等，发明专利说明书，中华人民共和国专利局，专利号 92112947.5，1995年11月

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