汤定元 著名物理学家、中国科学院院士。1920年5月出生于江苏金坛，1942年毕业于重庆中央大学物理系。1950年获美国芝加哥大学物理系硕士学位。1951年回国，曾任上海技术物理研究所长、中国科学院红外物理国家重点实验室学术委员会主任、“红外与毫米波学报”主编、中国光学学会副理事长。在留学美国期间，发现金属Ce的新颍相变并发明了金刚石高压容器，是高压物理研究的开创者。长期从事半导体物理和器件、红外物理和器件的研究，是我国半导体学科创始人之一，也是我国红外物理和技术奠基者和主要学术领头人。他在国际上首先定量解释了锗光电导光谱分布的物理现象，并开创了我国窄禁带半导体材料生长、器件研制及物理研究的体系，为在我国发展现代红外物理和技术奠定了基础。他曾先后领导研制了硅太阳能电池、热敏电阻、硫化铅、锑化铟和碲镉汞等十余种光电器件和红外探测器件，这些器件已用于卫星、军事和工业装备上。荣获1992年国家科技进步奖二等奖、1993年国家自然科学奖三等奖等国家和部委以上成果奖十四项。

一、发现Ce的新颖相变和发明金刚石高压容器

我在1948年秋进入芝加哥大学物理系。不久就在该校的金属研究所高压物理实验室找到一个半时工作的研究助理的位置，在Lawson教授的指导下工作。

我进入高压实验室的第一项工作是：用大颗粒多晶铍(Be)做高压容器，用x-射线通过Be容器摄取粉末样品在高压下的衍射线。这一工作本来是一位博士后做的，他设计的施压设备正在加工。由于两年期满，不得不离开，把最后成果让给了我。我接受这项工作后，仅对设备做了一些小改动，并对样品进行了反复的测量研究，发现金属铈(Ce)的晶体结构在高压(约大于1.2 GPa，1GPa相当于1万大气压)下仍然保持常压下的晶体结构面心立方，但体积突变却达16.5%。在压力下晶体结构可能发生变化，从而造成体积发生变化，是当时可以接受的。然而，实验却发现固体在压力下晶体结构没有发生变化，而体积却发生突变!这几乎是不可相信的。这是实验事实向传统思维提出的挑战。新发现也由此而生。这一突变只能是原子半径突然缩短的结果。合理的解释是：Ce是原子周期表中第一个镧类稀土类元素，原子外壳4f层刚开始有一个电子，而其下的5d层还空着。压力的作用使4f电子被“挤入”内部的空5d层，导致体积突变。这就是原子外壳层中电子分布的改变引起的相变，这是一种新颖的相变!

文章发表后不久，L.Pauling(1954年诺贝尔化学奖获得者，后来还得过一次诺贝尔和平奖。)来物理系做报告。他说根据他的原子半径理论，Ce除了已知的面心立方相以外，还应该有一个更为密集的相。他曾经用低温诱发这个相，几年都没有成功。现在在高压下得到这个相，终于验证了他的理论。他称这种4价Ce正是“根据他的金属原子半径理论所要寻找的相”(L. Pauling: The Nature of the Chemical Bond, P.419，1960, Cornell Univ, Press, 1960, p.419)。第二年(1950年)5月，Bridgman(由于他的高压研究，1946年获得诺贝尔物理学奖)在英国皇家学会做报告时提到：芝加哥大学的Lawson和Tang“用一种最巧妙的技术取得了Ce在高压下的X-射线衍射照片”(P. W. Bridgman，Collected Experimental Paper, Vol. VII, P171-4014, Harvard Univ. Press，p.171-401)证明了这种相变。

Be金属高压容器是一个创新技术。但Be的机械强度不够高，上述实验已经接近它的耐压上限。要想得到更高的压力，必须采用机械强度更高的材料。我们想到金刚石自然是最佳的选择。但金刚石太硬，不可能在上面钻孔。当时我们想出了一个巧妙的方法。用两片大小相同的金刚石，在每片上硬磨出一个半园形槽。合起来就是一个园形孔道，用来放置活塞和样品。另外再做一个小巧的施压设备。限于所能得到的金刚石的尺寸，做成的这个高压容器很小，最长一边只有4 mm。我拿到这个小设备后，就用Te(碲)粉作样品，很快就取得了Te的x-射线的衍射线。证明这个设备是可用的。从测量的晶格常数来估计，这个容器至少可以用到3 Gpa，是当时所能达到的最高压力。文章发表在《科学仪器评论》上，(Rev. Scient. Instr.，1950，21：815)。

1951年我回国离开高压实验室时，把这个设备移交给一位同事。可能是由于太小，难以掌握，一直没有看到后续报道。直到1959年才看到两篇金刚石高压容器的改进型报道，其中一篇就是Lawson实验室做出来的。都不再用活塞，而是把样品直接夹在两片金刚石之间加压，操作大为方便。这个金刚石高压容器在光学研究中有多种用途,体积小巧，易于掌握，而且使用范围推广到红外辐射和可见光，甚至到紫外辐射。此后在1965到1973年，这一金刚石高压容器又有了三次重要改进。能得到静压力，最高压力达到200 Gpa，最低温度可以用到5K。成为高压物理研究中常用的重要仪器。

目前每两年召开一次的国际高压物理会议，常有30%以上文章所涉及的实验结果，都是用金刚石高压容器作为手段获得的。在科学发展历史上，实验手段的创新，常常会促进学科的发展。

上述两项成果可以算得上是当时实验室的最重要的成果。Lawson把我作为作者之一，就是承认我在工作中有创造性贡献。作为研究生，能够做出这样的成绩是很不容易的。因而我认为：初入研究领域的工作者能够碰上一位高水平的导师，在一个创新团队里从事前沿的研究工作，是很幸运的。

二、偶然机遇决定了我50年的研究方向

我在高压实验室取得衍射照片后，必须到金相实验室去冲洗底片。这里有一位老教授，很少来上班。他的房间内有一书架“物理评论”杂志，没有其它书藉，我在等待底片晾干时，常坐在那里翻阅杂志。1949年的一天，我翻阅一本新到的杂志。看到其中Pearson & Bardeen的一篇关于硅的电学性质的文章。我看了几段，觉得内容很清晰，引人入胜。但很长，需要分几次阅读。最后我把那本杂志带到高压实验室去。在我专心阅读时，Lawson进来了。他看了看文章的题目后问我：“你对这个问题有兴趣吗？”我说这篇文章内容很丰富。他没有再说什么就走了。几分钟后，他拿来一瓶5磅装的杜邦(Dupin)高纯硅，对我说：“你有兴趣就做硅在高压下的电学性质的研究。这实际上是我发明的。”想不到这决定了我以后50年的研究方向。

Lawson后一句活我当时并不懂。后来看到F. Seitz的一篇文章中提到：二次世界大战中，美国军方曾经集中人力研究微波技术，用硅二极管作检波器。其中硅是Lawson最先引进的。当时发展了一种制造纯硅的技术：把硅磨成细粉，用酸清洗多次，最后在真空中汽相反应生成单晶颗粒，就是杜邦生产的高纯硅。从此我就多了一个研究课题。也查看了一些有关文献。这时我才了解到，一门新的半导体学科正在开始萌芽。最早是1947年证明半导体表面态存在。我在阅读的这篇研究硅导电性质的报告是第二篇重要文章。1950年以后，有关半导体的文章就多起来。表明这是一门大有发展前途的学科。

回国后的50年我主要研究半导体的光学及光电性能，曾经筹备提纯及制备硅单晶，并从事硫化铅和氧化亚铜的光学及光电导研究，进行锗的区域提纯的工作，完成了锗光电导光谱分布的研究。1958年以来，我认识到我国需要的不单是研究物理机制，还需要研制有用的器件，由此决定转向器件研制，准备研制红外探测器。当时国内对红外技术有所了解的人很少，觉得有责任提请有关领导注意。1958年初我提出的建议获得了有关部门的重视和采纳。国家开始下达发展红外技术的科研任务。1962年，我参加了科学发展远景规划的制定，红外技术与应用光学并列作为国家的发展重点。中国科学院于1963年底召开了红外工作会议，这导致1964年初院工作会议把上海技术物理研究所和昆明物理研究所作为发展红外技术专业研究所的决定。1964年5月，我带领半导体所13位同志到上海技术物理研究所工作。

我先后组织领导了硅太阳能电池、温差制冷器、硅PIN结粒子计数器，硫化铅红外探测器，热敏电阻红外探测器，锑化铟、锗掺汞和碲镉汞红外探测器、硅CCD器件以及红外焦平面列阵红外探测器的研制。这些器件先后用于各种军用和工业装备，科研设备，人造卫星以及用作航空航天遥感多种红外系统中。今日的上海技术物理研究所已经形成从热敏红外探测器到适用于三个重要大气窗口(1～3、3～5、8～13mm)的光子型探测器，从单元到焦平面列阵的全面的红外探测器研究阵势。我国的红外科学技术从无到有，到今天已经有了一支不小的队伍和相当的规模。

现在假想：如果当年留在美国，仍然从事科研工作，也许能做出一些成果，发表多篇论文。但其效果肯定不会有现在这样显著。根据我过去的经历，我认为：在科学比较落后的国家，派留学生到先进国家去学习，是一件很重要而且很有必要的事。在那里可以较快地学到科学研究方法，也可以较早地接触到前沿课题，抓着机遇。最好是选择一所名牌大学。学习结束，开始工作时，最好的选择是回祖国工作。因为那里是生你育你的土地，也是最需要你这样的人才，做出的成果也容易显示出来。特别是我们现在的中国，经济蒸蒸日上，正在实施科教兴国战略，急需各类人才。从事科教工作本身就会受到人们的尊敬。做出的成果容易受到人们的重视，从而引发积极的影响。

作 者：汤定元

点 评：

读硕士学位时找半时工作职位，做什么工作有偶然性，但找到职位后，汤定元先生能在两年内发现铈的新颖相变和发明金刚石高压容器，却有必然性。一是他以严格、严密、严谨的科学作风，对样品反复测量研究；二是既勇于创新，又善于实践，突出表现在“巧妙的方法”和“小巧的施压设备”上；三是他尊敬老师，老师正确评价他的贡献，有良好的师生关系。五十年代初，他敏锐地感悟到半导体学科的发展前途，锲而不舍的持续研究五十年，做出多项贡献，展现了一位老科学家的事业心和使命感。