半导体与量子力学的关系

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇半导体与量子力学的关系范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

半导体与量子力学的关系范文第1篇

因而在量子物理学中，时间的引入导致了许多重要而有趣的现象，光谱区域、共振和平衡态，量子混合，动态稳定性和不可逆性和“时间之箭”均与量子物理学中的时间衰变有关。这本书致力于为量子物理学中的渐近的时间衰变的相关概念和方法提供清晰而准确的阐述。

本书内容共6章：1.单粒子量子力学的数学和物理背景知识；2.自由波包的传播和渐近衰变：静态相位方法和van der Corput方法；3.类时间衰变和光谱特性的关系；4.一类稀疏势模型的时间衰变；5.共振和准指数衰变；6量子力学和经典力学的连接：无限自由度的量子系统。

本书作者均来自巴西圣保罗大学。本书适合于学习数学物理或量子理论的学生和相关研究人员。

半导体与量子力学的关系范文第2篇

关键词 跨导；金属场效应晶体管；GaAs/AlGaAs；异质结；迁移率

中图分类号TN303 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）35-0205-02

0 引言

随着材料科学的进步，理论和实验两方面对半导体材料中输运现象的研究成果已有一定积累，有关半导体异质结构中电子态、极化子的结合能[1] 、振动频率等物理量随压力的变化等研究也在不断深入，Holtz、Ban等人都对这一问题做过讨论[2]，但MOSFET异质结中电子迁移率的压力效应的器件设计还鲜有研究。

1 器件设计的理论模型

由于晶体管在微电子和集成电路的重要地位，而跨导又是MOSFET的一个极重要参数，所以对跨导调控的研究也是非常重要的。1978年和1979年Dingle，，Gossard，Wiegmann[3]和Hess在实验和理论上研究了载流子与母体施主杂质分离后迁移率的增强。在GaAs/AlGaAs异质结中，发现了局域在异质结界面GaAs侧的电子具有很高的迁移率[4]。 GaAs/AlGaAs MOSFET通常用分子束外延方法在（001）GaAs衬底上生长。先是n型的GaAs缓冲层，然后生长一个厚度为L的非掺杂AlGaAs隔离层以及一个n+型AlGaAs层，最后是覆盖层。由于GaAs/AlGaAs异质结中存在的能带偏移，电子从n+型的AlGaAs层流到GaAs侧，与施主空间分离形成二维电子气图1。

2.2 压力对各个参数的影响

在压力作用下 ，AlGaAs/GaAs异质结的内建势，半导体的能隙、电子的有效质量、材料的介电常数以及晶格振动频率等参数都会发生变化。在外加压力的作用下，非掺杂AlGaAs隔离层将部分地分担内建电势，减少了量子阱的深度，和二维电子气的面密度也随之减少，表1列出了在外加压力的作用下非掺杂层厚度L的变化导致电子迁移率改变的三个主要因子以及电子迁移率。

3 压力对跨导的影响

MOSFET的一个极其重要的工作参量是跨导，具有高跨导的器件可以提供大电流，对电容性负载进行充放电，由此可以减少开关（充放电）时间，达到较高的工作频率。而且，高跨导可以在低输入电压时有相对较高的输出电流，因而可以减少功耗。

由压力引起跨导变化的曲线可以看出，随着压力（应力）的增加n-mosfet跨导显著减小。这是因为压力对迁移率的影响来自于压力对电子的有效质量、材料的介电常数、禁带宽度以及晶格振动频率等各参数的综合效应，该效应主要通过影响导带弯曲程度和异质结势垒高度及材料的本身属性来反映的。

4 结论

综合上述关系图看到减小L可以增加二维电子气的面密度。然而，L基本上代表了二维电子气和掺杂原子间的重叠，减小L，二维电子气与型AlGaAs层中的杂质间的重叠则将增加，因而二维电子气将受到更大的电离杂质散射和晶格散射。同时还要受到与沟道壁碰撞引起的附加散射。外加应力加强了附加散射，这使得两次碰撞之间的平均自由程时间减小，从而使得迁移率随之下降。从而引起跨导显著减小。并且从上图中可以看出在（0kbar~100kbar)的范围内跨导保持较高的稳定性。所以研究跨导在压力作用下的变化在纳机电领域、传感器领域以及IT行业可能有广泛的用途。由于本文忽略了磁场，温度等因素的影响再加实验偏少。所以文中设计的器件（图1）存在一定的不足，希望能给以后的研究提供一些帮助。

参考文献

[1]张敏，班士良.磁场对 GaAs/ Alx Ga1-xAs 异质结系统中束缚极化子的影响[J].半导体学报，2004，25.

[2]Holtz M，Seon M，Braf ran O，et al.Pressure dependence of the optic phonon energies in AlxGa1-xAs.Phys Rev B，1996，54(12) :8714.

[3]R Dingle，H L，A C Gossard，and W Wiegmann. Electron mobilities in modulation-doped semiconductor superlattices.

半导体与量子力学的关系范文第3篇

关键词：半导体物理；教学改革；教学效果

作者简介：刘德伟（1979-），男，河南濮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师；李涛（1977-），男，河南淮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师。（河南 郑州 450002）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0085-02

半导体物理是半导体科学的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。然而，由于半导体物理的学科性很强，理论较为深奥，涉及知识点多，理论推导繁琐，学生在学习的过程中存在一定的难度。因此，授课教师必须在充分理解半导体物理，熟悉半导体工艺和集成电路设计的基础上，结合教学实际中存在的问题，优化整合教学内容，丰富教学手段，探索教学改革措施，培养学生的学习兴趣，提高半导体物理课程的教学质量。

一、半导体物理课程特点及教学中存在的主要问题

郑州轻工业学院采用的教材为刘恩科主编的《半导体物理学》（第七版，电子工业出版社），该教材是电子科学与技术类专业精品教材。[1]结合教材特点与教学实践，半导体物理课程教学过程中存在的主要问题与不足[2]可归纳如下：

1.教材内容知识点多，理论性强

半导体物理课程前五章为理论基础部分，主要讲述了半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子有效质量、费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；分析了状态密度、分布函数、载流子浓度以及迁移率与杂质浓度、温度的关系。课程涉及理论知识较深，易混淆知识点较多，数学公式推导复杂，很多基本概念及数学公式要求学生掌握量子力学、固体物理、热力学统计物理和高等数学等多门基础学科的理论知识。因此，学生在前期学习中，在相关知识点上难以衔接，对相关理论的掌握存在一定困难。

2.传统教学模式难以理论联系实际

半导体物理课程后八章主要介绍了半导体基本器件的结构与性能，半导体的光、电、热、磁等基本性质。如pn结电流电压特性及电容、击穿电压与隧道效应、肖特基接触与欧姆接触；半导体表面与MIS结构、表面电场对pn结性能的影响；半导体异质结构及半导体激光器等。由于这部分内容主要阐述半导体的实际应用，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，对于没有接触过半导体制备工艺的学生而言，就会觉得内容枯燥，课堂乏味。

3.教材内容无法追踪科技前沿

现代半导体技术日新月异，发展迅速，例如在半导体照明、半导体激光器、探测器、太阳能电池等领域都获得了重大研究成果，研究领域不断拓展，新的理论不断涌现，与化学、医学、生物等学科之间的交叉和渗透越来越强，极大地丰富了半导体物理的教学内容。而半导体物理教材内容的更新相对较慢，因此，如何在有限的课时内既要讲授教材内容，又要穿插相关科技前沿是一个值得深入探讨的问题。

二、半导体物理课程教学改革措施

基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，如何在有限的课堂教学过程中将大量的知识讲解清楚，需要教师积极探索新的教学模式，针对课程特点与教学现状，通过不断实践克服存在的问题与不足，采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，狠抓教学环节，使学生较好地理解并掌握相关知识，为后续课程的学习打下良好的基础。[3]

1.优化整合教学内容

由于现代半导体技术发展极为迅速，研究方向不断拓展，相关知识更新较快。因此，授课教师应与时俱进，关注科技前沿与研究热点，合理安排教学内容。结合电子科学与技术专业其它课程的教学内容，在保持课程知识结构与整体系统性的同时，对教学内容进行合理取舍，压缩与其他课程重叠的内容，删除教材中相对陈旧的知识，密切跟踪科技前沿与研究热点，适当增加新的理论，补充重要的半导体技术发展史，激发学生的学习热情，培养学生的科学精神。例如压缩教材中第一章固体物理课程已经详细讲解过的能带理论内容，将授课时间由原来的8学时压缩至6学时；在讲解半导体光学特性时，结合半导体光电子学的研究前沿，增加该部分内容所涉及的研究领域与最新技术，如半导体超晶格、量子阱等方面的内容；在讲述MIS结构的C-V特性时，补充C-V特性的研究意义，介绍半导体表面特性对集成芯片性能的影响，鼓励学生查阅总结利用C-V特性研究半导体表面的方法；在讲授半导体元器件的结构及性能时，适当补充半导体器件的制备工艺，播放一些半导体器件的制备视频，让学生结合某种半导体器件分析其结构与性能；在讲解半导体异质结构时，先让学生了解pn结种类，然后对比同质结与异质结的异同，最后让学生掌握异质结的电流电压特性，通过增加半导体激光器的发展史，即从第一支同质结半导体激光器只能在低温下发射脉冲激光到现在的异质结激光器的优异性能，让学生充分认识到半导体物理是现代半导体技术发展的理论基础，是科技创新的力量源泉。通过介绍科技前沿与研究热点，指导学生查阅相关文献，扩大学生的知识面，提高学生学习的积极主动性。

2.突出重点，分化难点，强调基本概念与物理模型

半导体物理课程涉及到的基本概念和物理模型较多，仅凭教材中的定义理解这些概念和模型，学生很难完全掌握。在讲解深奥的物理模型时，教师应运用恰当的类比，通过生动形象的事例对比分析，加深学生对物理模型的理解，增加学生的学习兴趣。例如教材中半导体载流子浓度的计算既是难点又是重点，学习中涉及到状态密度、玻尔兹曼分布函数、费密分布函数以及载流子浓度等为较容易混淆的概念。为了帮助学生理解，教师可以通过教学楼里面的学生人数与半导体中的电子数目进行类比：不同楼层的教室对应不同的能带，教室座位数对应能态的数目，教室的学生人数就相当于半导体中的电子数目，这样，计算半导体电子浓度的问题就与计算教室单位空间内学生人数的问题非常类似。通过这种生动形象的类比，学生很容易明白半导体中的能态密度就相当于教室单位空间的座位数，而半导体中的电子在能级上的占据几率就对应于教室内学生的入座情况。半导体中的电子在能级上的占据概率需要满足波尔兹曼分布函数或费米分布函数，而分布函数的确定取决于费米能级的位置，当分布函数确定后，单位能量间隔内的电子数目就可以通过简单的微积分计算出来。

另外，半导体物理课程中理论推导和数学上的近似处理较多，繁琐的公式推导增加了学生对物理模型的理解。如果教师在教学过程中能适当地把物理模型和公式推导分开，正确处理两者之间的关系，分别从物理和数学两方面寻找攻克这些难点的途径，使学生在彻底理解物理模型的基础上掌握理论推导。例如教材中有关n型半导体载流子浓度的内容安排如下：首先根据杂质半导体的电中性条件，推导出一个包含费米能的表达式，然后根据杂质电离情况分为低温弱电离区、中间电离区、强电离区、过渡区以及高温本征激发区，最后再根据不同电离区的特点进行讨论与近似处理。所涉及到的物理模型相对简单，但分区讨论和近似处理部分篇幅较长。如果运用传统教学模式，学生很容易沉浸在复杂的数学公式推导之中，难以透彻理解物理模型。如果教师在授课过程中先让学生了解该部分内容的整体安排，理解物理模型，再分析各温区的主要特点，最后总结规律，通过数学推导得出结论，就能很好地提高教学效果。

3.温故知新，适时比较，加强各章节之间的联系

对于课堂上刚刚讲授过的知识，学生并不一定能够完全掌握，此时教师应该结合半导体物理课程的特点，在教学过程中做到温故知新，适时比较，加强不同章节之间知识点的联系。例如pn结是半导体器件的基本单元，如日常生活中常见的激光器、LED、整流器、调制器、探测器、太阳能电池等。在讲授该章内容时，如果教师以pn结为主线将教材中不同章节之间的内容有机联系起来，学生就会从整体上进一步了解半导体物理课程的教学内容。只有在教学过程中不断加强各章节知识点之间的联系，学生才能完全掌握半导体器件的基本原理，为以后从事半导体行业打下坚实的基础。再如所选教材中有关半导体载流子浓度的计算，分为非简并半导体和简并半导体两种情况。在讲述后者时，教师通过对比分析非简并半导体和简并半导体在概念上有何异同，再引导学生比较简并半导体与非简并半导体载流子浓度的计算公式，学生就会意识到二者的主要区别就是分布函数不同，在计算简并半导体载流子浓度时，虽然分布函数替换后导致积分变复杂，但只是数学处理的方法不同，两者的物理思想却完全一致。通过这样的比较学习，学生对非简并半导体与简并半导体以及玻尔兹曼分布函数与费米分布函数的理解就会更加深入。

三、结束语

通过以上教学改革措施，培养了学生的学习兴趣，增加了学生的学习积极性，提高了半导体物理课程的课堂教学效果，为学生后续专业课程的学习奠定了扎实的基础。

参考文献：

[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2011.

半导体与量子力学的关系范文第4篇

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

半导体与量子力学的关系范文第5篇

关键词：X射线；半导体；原子能；激光；蓝光LED；科技创新；大学物理

1引言

物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础.纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展.正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程.按照教育部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时；大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时.然而调查显示，众多高校（尤其是新建本科院校）并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程.他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准（180学时）.试问这么少的课时怎么讲丰富、深奥的大学物理？怎么能够真正发挥出大学物理的作用？于是有的院、系要求只讲力学，有的要求只讲热学，有的则要求只讲电磁学，…面对这种情况，大学物理的授课教师在无奈状态下讲授大学物理.从《大学物理课程报告论坛》上获悉，这不是个别学校的做法，在全国具有普遍性.殊不知，力、热、光、电磁、原子是一个完整的体系，相互联系，缺一不可.这种以消减教学内容为代价，解决课时不足的做法，就如同削足适履，是对教育规律不尊重，是管理者思想意识落后的一种体现.本文且不论述物理学是理工科必修的一门基础课，只论及物理学是科技创新的源泉这一命题，以期提高教育管理者对大学物理课程重要性的认识.

2物理学是科技创新的源泉

且不说力学和热力学的发展，以蒸汽机为标志引发了第一次工业革命，欧洲实现了机械化；且不说库伦、法拉第、楞次、安培、麦克斯韦等创立的电磁学的发展，以电动机为标志引发了第二次工业革命，欧美实现了电气化.这两次工业革命没有发生在中国，使中国近代落后了.本文着重论述近代物理学的发展对科学技术的巨大推动作用，从而得出结论：物理学是科技创新的源泉.1895年，威廉•伦琴（WilhelmR魻ntgen）发现X射线，这种射线在电场、磁场中不发生偏转，穿透能力很强，由于当时不知道它是什么，故取名X射线.直到1912年，劳厄（MaxvonLaue）用晶体中的点阵作为衍射光栅，确定它是一种光波，波长为10-10m的数量级[6].伦琴获1901年诺贝尔物理学奖，他发现的X射线开创了医学影像技术，利用X光机探测骨骼的病变，胸腔X光片诊断肺部病变，腹腔X光片检测肠道梗塞.CT成像也是利用X射线成像，CT成像既可以提供二维（2D）横切面又可以提供三维（3D）立体表现图像，它可以清楚地展示被检测部位的内部结构，可以准确确定病变位置.当今，各医院都设置放射科，X射线在医学上得到充分利用.X射线的发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大科学发现.1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•劳仑斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d为晶格常数，α为入射光与晶面夹角，λ为X射线波长.布拉格父子提出使用X射线衍射研究晶体原子、分子结构，创立了X射线晶体结构分析这一学科，布拉格父子获1915年诺贝尔物理学奖.当今，X射线衍射仪不仅在物理学研究，而且在化学、生物、地质、矿产、材料等学科得到广泛应用，所有从事自然科学研究的科研院所和大多数高等学校都有X射线衍射仪，它是研究物质结构的必备仪器.1907年，威廉•汤姆孙（W•Thomson）发现电子，电子质量me=9.11×10-31kg，电子荷电e=-1.602×10-19C.电子的荷电性引发了20世纪产生革命.1947年，美国的巴丁、布莱顿和肖克利研究半导体材料时，发现Ge晶体具有放大作用，发明了晶体三极管，很快取代电子管，随后晶体管电路不断向微型化发展.1958年，美国的工程师基尔比制成第一批集成电路.1971年，英特尔公司的霍夫把计算机的中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，制成世界上第一个微处理器.80年代末，芯片上集成的元件数已突破1000万大关.微电子技术改变了人类生活，微电子技术称雄20世纪，进入21世纪微电子产业仍继续称雄.到各个工业区看看，发现电子厂比比皆是，这真是小小电子转动了整个地球啊！电子不仅具有荷电性，还具有荷磁性.

1925年，乌伦贝克—哥德斯密脱（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假说，每个电子都具有自旋角动量S軋，它在空间任意方向上的投影只可能取两个数值，Sz=±h2；电子具有荷磁性，每个电子的磁矩为MSz=芎μB(μB为玻尔磁子）[7].电子的荷磁性沉睡了半个多世纪，直到1988年阿贝尔•费尔（AlberFert）和彼得•格林贝格尔（PeterGrünberg）发现在Fe/Cr多层膜中，材料的电阻率受材料磁化状态的变化呈显著改变，其机理是相临铁磁层间通过非磁性Cr产生反铁磁耦合，不加磁场时电阻率大，当外加磁场时，相邻铁磁层的磁矩方向排列一致，对电子的散射弱，电阻率小.利用磁性控制电子的输运，提出巨磁电阻效应（giantmagnetoresistance,GMR），磁电阻MR定义MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)为零场下的电阻率，ρ(H)为加场下的电阻率[8].GMR效应的发现引起科技界强烈关注，1994年IBM公司依据巨磁电阻效应原理，研制出“新型读出磁头”，此前的磁头是用锰铁磁体，磁电阻MR只有1%-2%，而新型读出磁头的MR约50%，将磁盘记录密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型读出磁头的MR才出现笔记本电脑、MP3等，GMR效应在磁传感器、数控机库、非接触开关、旋转编码器等方面得到广泛应用.阿尔贝?费尔和彼得?格林贝格尔获2007年诺贝尔物理学奖.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到MR高达105%，称为庞磁电阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），钙钛矿氧化物中有如此高的磁电阻，在磁传感、磁存储、自旋晶体管、磁制冷等方面有着诱人的应用前景，引起凝聚态物理和材料科学科研人员的极大关注[10-12].然而，CMR效应还没有得到实际应用，原因是要实现大的MR需要特斯拉量级的外磁场，问题出在CMR产生的物理机制还没有真正弄清楚.1905年，爱因斯坦提出[13]：“就一个粒子来说，如果由于自身内部的过程使它的能量减小了，它的静质量也将相应地减小.”提出著名的质能关系式E=m莓C2式中m.表示经过反应后粒子的总静质量的减小，E表示核反应释放的能量.爱因斯坦又提出实现热核反应的途径：“用那些所含能量是高度可变的物体（比如用镭盐）来验证这个理论，不是不可能成功的.”按照爱因斯坦的这一重大物理学理论，1938年物理学家发现重原子核裂变.核裂变首先被用于战争，1945年8月6日和9日，美国对日本的广岛和长崎各投下一颗原子弹，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布无条件投降.后来原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行.2009年，美国有104座核电站，核电站发电量占本国发电总量的20%，法国有59台机组，占80%；日本有55座核电站，占30%.截至2015年4月，我国运行的核电站有23座，在建核电站有26座，产能为21.4千兆瓦，核电站发电量占我国发电总量不足3%，所以我国提出大力发展核电，制定了到2020年核电装机总容量达到58千兆瓦的目标.核能的利用，一方面减少了化石能源的消耗，从而减少了产生温室效应的气体———二氧化碳的排放，另一方面有力地解决能源危机.利用海水中的氘和氚发生核聚变可以产生巨大能量，受控核聚变正在研究中，若受控核聚变研究成功将为人类提供取之不尽用之不竭的能量.那时，能源危机彻底解除.

20世纪最杰出的成果是计算机，物理学是计算机硬件的基础.从1946年计算机问世以来，经历了第一至第五代，计算机硬件中的电子元件随着物理学的进步，依次经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路；主存储器用的是磁性材料，随着物理学的进步，磁性材料的性能越来越高，计算机的硬盘越来越小.近日在第十六届全国磁学和磁性材料会议（2015年10月21—25日）上获悉，中科院强磁场中心、中科院物理所等，正在对斯格明子（skyrmions）进行攻关,斯格明子具有拓扑纳米磁结构，将来的笔记本电脑的硬盘只有花生大小，ipod平板电脑的硬盘缩小到米粒大小.量子力学催生出隧道二极管，量子力学指导着研究电子器件大小的极限，光学纤维的发明为计算机网络提供数据通道.

1916年，爱因斯坦提出光受激辐射原理，时隔44年，哥伦比亚大学的希奥多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一台激光器[14].由于激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点，在医疗、农业、通讯、金属微加工，军事等方面得到广泛应用.激光在其他方面的应用暂不展开论述，只谈谈激光加工技术在工业生产上的应用.激光加工技术对材料进行切割、焊接、表面处理、微加工等，激光加工技术具有突出特点：不接触加工工件，对工件无污染；光点小，能量集中；激光束容易聚焦、导向，便于自动化控制；安全可靠，不会对材料造成机械挤压或机械应力；切割面光滑、无毛刺；切割面细小，割缝一般在0.1-0.2mm；适合大件产品的加工等.在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业得到广泛应用.2014年，仅我国激光加工产业总收入约270亿人民币，其中激光加工设备销售额达215亿人民币.

2014年，诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科学家，是因为他们发明了蓝色发光二极管（LED），帮助人们以更节能的方式获得白光光源.他们的突出贡献在于，在三基色红、绿、蓝中，红光LED和绿光LED早已发明，但制造蓝光LED长期以来是个难题，他们三人于20世纪90年明了蓝光LED，这样三基色LED全被找到了，制造出来的LED灯用于照明使消费者感到舒适.这种LED灯耗能很低，耗能不到普通灯泡的1/20，全世界发的电40%用于照明，若把普通灯泡都换成LED灯，全世界每个节省的电能数字惊人！物理学研究给人类带来不可估量的益处.2010年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因发明石墨烯材料，获得诺贝尔物理学奖.目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管.此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好.因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命[14].2012年，法国科学家沙吉•哈罗彻(SergeHaroche)与美国科学家大卫•温兰德(DavidJ.win-land)，在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”.他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步[16].

2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.早在2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系，薛其坤等在这一理论指导下开展实验研究，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题.这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗.而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，电子自旋向上的在一个跑道上，自旋向下的在另一个跑道上，犹如在高速公路上，它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，不产生电子相互碰撞，不会产生热能损耗.通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大.因此，这一科研成果的应用前景十分广阔[17].物理学的每一个重大发现、重大发明，都会开辟一块新天地，带来产业革命，推动社会进步，创造巨大物质财富.纵观科学与技术发展史，可以看出物理学是科技创新的源泉.

3结语

论述了X射线，电子、半导体、原子能、激光、蓝光LED等的发现或发明对人类进步的巨大推动作用，自然得出结论，物理学是科技创新的源泉.打开国门看一看，美国的著名大学非常注重大学物理，加州理工大学所有一、二年级的公共物理课程总学时为540，英、法、德也在400-500学时[18].国内高校只有中国科学技术大学的大学物理课程做到了与国际接轨，以他们的数学与应用数学为例，大一开设：力学与热学80学时，大学物理—基础实验54学时；大二开设：电磁学80学时，光学与原子物理80学时，大学物理—综合实验54学时；大三开设：理论力学60学时，大学物理及实验总计408学时.在大力倡导全民创业万众创新的今天，高等学校理所应当重视物理学教学.各高校的理工科要按照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会颁发的《非物理类理工学科大学物理课程/实验教学基本要求》给足大学物理课程及大学物理实验课时.

参考文献：

〔1〕祝之光.物理学[M].北京：高等教育出版社，2012.1-10.

〔2〕马文蔚，周雨青.物理学教程[M].北京：高等教育出版社，2006.I-V1.

〔3〕倪致祥，朱永忠，袁广宇，黄时中，大学物理学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2005.前言.

〔4〕教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J].物理与工程，2006，16（5）

〔5〕教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理实验课程教学基本要求[J].物理与工程，2006,16（4）：1-3.

〔6〕姚启钧，光学教程[M].北京；高等教育出版社，2002.138-139.

〔7〕张怪慈.量子力学简明教授[M].北京：人民教育出版社，1979.182-183.