半導體與量子力學的關系

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半導體與量子力學的關系范文第1篇

因而在量子物理學中，時間的引入導致了許多重要而有趣的現象，光譜區域、共振和平衡態，量子混合，動態穩定性和不可逆性和“時間之箭”均與量子物理學中的時間衰變有關。這本書致力于為量子物理學中的漸近的時間衰變的相關概念和方法提供清晰而準確的闡述。

本書內容共6章：1.單粒子量子力學的數學和物理背景知識；2.自由波包的傳播和漸近衰變：靜態相位方法和van der Corput方法；3.類時間衰變和光譜特性的關系；4.一類稀疏勢模型的時間衰變；5.共振和準指數衰變；6量子力學和經典力學的連接：無限自由度的量子系統。

本書作者均來自巴西圣保羅大學。本書適合于學習數學物理或量子理論的學生和相關研究人員。

半導體與量子力學的關系范文第2篇

關鍵詞 跨導；金屬場效應晶體管；GaAs/AlGaAs；異質結；遷移率

中圖分類號TN303 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）35-0205-02

0 引言

隨著材料科學的進步，理論和實驗兩方面對半導體材料中輸運現象的研究成果已有一定積累，有關半導體異質結構中電子態、極化子的結合能[1] 、振動頻率等物理量隨壓力的變化等研究也在不斷深入，Holtz、Ban等人都對這一問題做過討論[2]，但MOSFET異質結中電子遷移率的壓力效應的器件設計還鮮有研究。

1 器件設計的理論模型

由于晶體管在微電子和集成電路的重要地位，而跨導又是MOSFET的一個極重要參數，所以對跨導調控的研究也是非常重要的。1978年和1979年Dingle，，Gossard，Wiegmann[3]和Hess在實驗和理論上研究了載流子與母體施主雜質分離后遷移率的增強。在GaAs/AlGaAs異質結中，發現了局域在異質結界面GaAs側的電子具有很高的遷移率[4]。 GaAs/AlGaAs MOSFET通常用分子束外延方法在（001）GaAs襯底上生長。先是n型的GaAs緩沖層，然后生長一個厚度為L的非摻雜AlGaAs隔離層以及一個n+型AlGaAs層，最后是覆蓋層。由于GaAs/AlGaAs異質結中存在的能帶偏移，電子從n+型的AlGaAs層流到GaAs側，與施主空間分離形成二維電子氣圖1。

2.2 壓力對各個參數的影響

在壓力作用下 ，AlGaAs/GaAs異質結的內建勢，半導體的能隙、電子的有效質量、材料的介電常數以及晶格振動頻率等參數都會發生變化。在外加壓力的作用下，非摻雜AlGaAs隔離層將部分地分擔內建電勢，減少了量子阱的深度，和二維電子氣的面密度也隨之減少，表1列出了在外加壓力的作用下非摻雜層厚度L的變化導致電子遷移率改變的三個主要因子以及電子遷移率。

3 壓力對跨導的影響

MOSFET的一個極其重要的工作參量是跨導，具有高跨導的器件可以提供大電流，對電容性負載進行充放電，由此可以減少開關（充放電）時間，達到較高的工作頻率。而且，高跨導可以在低輸入電壓時有相對較高的輸出電流，因而可以減少功耗。

由壓力引起跨導變化的曲線可以看出，隨著壓力（應力）的增加n-mosfet跨導顯著減小。這是因為壓力對遷移率的影響來自于壓力對電子的有效質量、材料的介電常數、禁帶寬度以及晶格振動頻率等各參數的綜合效應，該效應主要通過影響導帶彎曲程度和異質結勢壘高度及材料的本身屬性來反映的。

4 結論

綜合上述關系圖看到減小L可以增加二維電子氣的面密度。然而，L基本上代表了二維電子氣和摻雜原子間的重疊，減小L，二維電子氣與型AlGaAs層中的雜質間的重疊則將增加，因而二維電子氣將受到更大的電離雜質散射和晶格散射。同時還要受到與溝道壁碰撞引起的附加散射。外加應力加強了附加散射，這使得兩次碰撞之間的平均自由程時間減小，從而使得遷移率隨之下降。從而引起跨導顯著減小。并且從上圖中可以看出在（0kbar~100kbar)的范圍內跨導保持較高的穩定性。所以研究跨導在壓力作用下的變化在納機電領域、傳感器領域以及IT行業可能有廣泛的用途。由于本文忽略了磁場，溫度等因素的影響再加實驗偏少。所以文中設計的器件（圖1）存在一定的不足，希望能給以后的研究提供一些幫助。

參考文獻

[1]張敏，班士良.磁場對 GaAs/ Alx Ga1-xAs 異質結系統中束縛極化子的影響[J].半導體學報，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.

半導體與量子力學的關系范文第3篇

關鍵詞：半導體物理；教學改革；教學效果

作者簡介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽人，鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽人，鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，講師。（河南 鄭州 450002）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0085-02

半導體物理是半導體科學的理論基礎，是電子科學與技術、微電子學等專業重要的專業基礎課，其教學質量直接關系到后續課程的學習效果以及學生未來的就業和發展。然而，由于半導體物理的學科性很強，理論較為深奧，涉及知識點多，理論推導繁瑣，學生在學習的過程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導體物理，熟悉半導體工藝和集成電路設計的基礎上，結合教學實際中存在的問題，優化整合教學內容，豐富教學手段，探索教學改革措施，培養學生的學習興趣，提高半導體物理課程的教學質量。

一、半導體物理課程特點及教學中存在的主要問題

鄭州輕工業學院采用的教材為劉恩科主編的《半導體物理學》（第七版，電子工業出版社），該教材是電子科學與技術類專業精品教材。[1]結合教材特點與教學實踐，半導體物理課程教學過程中存在的主要問題與不足[2]可歸納如下：

1.教材內容知識點多，理論性強

半導體物理課程前五章為理論基礎部分，主要講述了半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布、半導體的導電性與非平衡載流子，在此基礎上闡述了電子有效質量、費米能級、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態密度、分布函數、載流子濃度以及遷移率與雜質濃度、溫度的關系。課程涉及理論知識較深，易混淆知識點較多，數學公式推導復雜，很多基本概念及數學公式要求學生掌握量子力學、固體物理、熱力學統計物理和高等數學等多門基礎學科的理論知識。因此，學生在前期學習中，在相關知識點上難以銜接，對相關理論的掌握存在一定困難。

2.傳統教學模式難以理論聯系實際

半導體物理課程后八章主要介紹了半導體基本器件的結構與性能，半導體的光、電、熱、磁等基本性質。如pn結電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應、肖特基接觸與歐姆接觸；半導體表面與MIS結構、表面電場對pn結性能的影響；半導體異質結構及半導體激光器等。由于這部分內容主要闡述半導體的實際應用，僅僅從課本上學習相關知識，難以理論聯系實際，對于沒有接觸過半導體制備工藝的學生而言，就會覺得內容枯燥，課堂乏味。

3.教材內容無法追蹤科技前沿

現代半導體技術日新月異，發展迅速，例如在半導體照明、半導體激光器、探測器、太陽能電池等領域都獲得了重大研究成果，研究領域不斷拓展，新的理論不斷涌現，與化學、醫學、生物等學科之間的交叉和滲透越來越強，極大地豐富了半導體物理的教學內容。而半導體物理教材內容的更新相對較慢，因此，如何在有限的課時內既要講授教材內容，又要穿插相關科技前沿是一個值得深入探討的問題。

二、半導體物理課程教學改革措施

基于以上分析，半導體物理課程對授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學過程中將大量的知識講解清楚，需要教師積極探索新的教學模式，針對課程特點與教學現狀，通過不斷實踐克服存在的問題與不足，采用多樣化的教學手段，優化整合教學內容，狠抓教學環節，使學生較好地理解并掌握相關知識，為后續課程的學習打下良好的基礎。[3]

1.優化整合教學內容

由于現代半導體技術發展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關知識更新較快。因此，授課教師應與時俱進，關注科技前沿與研究熱點，合理安排教學內容。結合電子科學與技術專業其它課程的教學內容，在保持課程知識結構與整體系統性的同時，對教學內容進行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內容，刪除教材中相對陳舊的知識，密切跟蹤科技前沿與研究熱點，適當增加新的理論，補充重要的半導體技術發展史，激發學生的學習熱情，培養學生的科學精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經詳細講解過的能帶理論內容，將授課時間由原來的8學時壓縮至6學時；在講解半導體光學特性時，結合半導體光電子學的研究前沿，增加該部分內容所涉及的研究領域與最新技術，如半導體超晶格、量子阱等方面的內容；在講述MIS結構的C-V特性時，補充C-V特性的研究意義，介紹半導體表面特性對集成芯片性能的影響，鼓勵學生查閱總結利用C-V特性研究半導體表面的方法；在講授半導體元器件的結構及性能時，適當補充半導體器件的制備工藝，播放一些半導體器件的制備視頻，讓學生結合某種半導體器件分析其結構與性能；在講解半導體異質結構時，先讓學生了解pn結種類，然后對比同質結與異質結的異同，最后讓學生掌握異質結的電流電壓特性，通過增加半導體激光器的發展史，即從第一支同質結半導體激光器只能在低溫下發射脈沖激光到現在的異質結激光器的優異性能，讓學生充分認識到半導體物理是現代半導體技術發展的理論基礎，是科技創新的力量源泉。通過介紹科技前沿與研究熱點，指導學生查閱相關文獻，擴大學生的知識面，提高學生學習的積極主動性。

2.突出重點，分化難點，強調基本概念與物理模型

半導體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學生很難完全掌握。在講解深奧的物理模型時，教師應運用恰當的類比，通過生動形象的事例對比分析，加深學生對物理模型的理解，增加學生的學習興趣。例如教材中半導體載流子濃度的計算既是難點又是重點，學習中涉及到狀態密度、玻爾茲曼分布函數、費密分布函數以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學生理解，教師可以通過教學樓里面的學生人數與半導體中的電子數目進行類比：不同樓層的教室對應不同的能帶，教室座位數對應能態的數目，教室的學生人數就相當于半導體中的電子數目，這樣，計算半導體電子濃度的問題就與計算教室單位空間內學生人數的問題非常類似。通過這種生動形象的類比，學生很容易明白半導體中的能態密度就相當于教室單位空間的座位數，而半導體中的電子在能級上的占據幾率就對應于教室內學生的入座情況。半導體中的電子在能級上的占據概率需要滿足波爾茲曼分布函數或費米分布函數，而分布函數的確定取決于費米能級的位置，當分布函數確定后，單位能量間隔內的電子數目就可以通過簡單的微積分計算出來。

另外，半導體物理課程中理論推導和數學上的近似處理較多，繁瑣的公式推導增加了學生對物理模型的理解。如果教師在教學過程中能適當地把物理模型和公式推導分開，正確處理兩者之間的關系，分別從物理和數學兩方面尋找攻克這些難點的途徑，使學生在徹底理解物理模型的基礎上掌握理論推導。例如教材中有關n型半導體載流子濃度的內容安排如下：首先根據雜質半導體的電中性條件，推導出一個包含費米能的表達式，然后根據雜質電離情況分為低溫弱電離區、中間電離區、強電離區、過渡區以及高溫本征激發區，最后再根據不同電離區的特點進行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對簡單，但分區討論和近似處理部分篇幅較長。如果運用傳統教學模式，學生很容易沉浸在復雜的數學公式推導之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過程中先讓學生了解該部分內容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區的主要特點，最后總結規律，通過數學推導得出結論，就能很好地提高教學效果。

3.溫故知新，適時比較，加強各章節之間的聯系

對于課堂上剛剛講授過的知識，學生并不一定能夠完全掌握，此時教師應該結合半導體物理課程的特點，在教學過程中做到溫故知新，適時比較，加強不同章節之間知識點的聯系。例如pn結是半導體器件的基本單元，如日常生活中常見的激光器、LED、整流器、調制器、探測器、太陽能電池等。在講授該章內容時，如果教師以pn結為主線將教材中不同章節之間的內容有機聯系起來，學生就會從整體上進一步了解半導體物理課程的教學內容。只有在教學過程中不斷加強各章節知識點之間的聯系，學生才能完全掌握半導體器件的基本原理，為以后從事半導體行業打下堅實的基礎。再如所選教材中有關半導體載流子濃度的計算，分為非簡并半導體和簡并半導體兩種情況。在講述后者時，教師通過對比分析非簡并半導體和簡并半導體在概念上有何異同，再引導學生比較簡并半導體與非簡并半導體載流子濃度的計算公式，學生就會意識到二者的主要區別就是分布函數不同，在計算簡并半導體載流子濃度時，雖然分布函數替換后導致積分變復雜，但只是數學處理的方法不同，兩者的物理思想卻完全一致。通過這樣的比較學習，學生對非簡并半導體與簡并半導體以及玻爾茲曼分布函數與費米分布函數的理解就會更加深入。

三、結束語

通過以上教學改革措施，培養了學生的學習興趣，增加了學生的學習積極性，提高了半導體物理課程的課堂教學效果，為學生后續專業課程的學習奠定了扎實的基礎。

參考文獻：

[1]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導體物理學[M].北京：電子工業出版社，2011.

半導體與量子力學的關系范文第4篇

本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。

1突破傳統制造技術的觀念

納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。

完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納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。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。

3涂層納米材料將給我們帶來什么?

涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。

熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。

電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。

4含鐵碳納米管薄膜場發射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強關聯體系和軟凝聚態物質

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。

在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。

軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。

物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。

半導體與量子力學的關系范文第5篇

關鍵詞：X射線；半導體；原子能；激光；藍光LED；科技創新；大學物理

1引言

物理學是一門研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用以及最一般的運動規律的科學[1-3]，其內容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學的基礎.縱觀物理學發展歷史可以發現：其蘊含的科學思維和科學方法能夠有效促進學生能力的培養和知識的形成，同時，其每一次新的發現都會帶動人類社會的科技創新和科技發展.正因如此，大學物理成為了高等學校理、工科專業必修的一門基礎課程.按照教育部頒發的相關文件要求[4-5]，大學物理課程最低學時數為126學時，其中理科、師范類非物理專業不少于144學時；大學物理實驗最低學時數為54學時，其中工科、師范類非物理專業不少于64學時.然而調查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒有嚴格按照教育部頒發的課程基本要求開設大學物理及其實驗課程.他們往往打著“寬口徑、應用型”的晃子，大幅壓縮大學物理和大學物理實驗課程的學時，如今，大學物理及其實驗課程的總學時數實際僅為32-96學時，遠遠低于教育部要求的最低標準（180學時）.試問這么少的課時怎么講豐富、深奧的大學物理？怎么能夠真正發揮出大學物理的作用？于是有的院、系要求只講力學，有的要求只講熱學，有的則要求只講電磁學，…面對這種情況，大學物理的授課教師在無奈狀態下講授大學物理.從《大學物理課程報告論壇》上獲悉，這不是個別學校的做法，在全國具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個完整的體系，相互聯系，缺一不可.這種以消減教學內容為代價，解決課時不足的做法，就如同削足適履，是對教育規律不尊重，是管理者思想意識落后的一種體現.本文且不論述物理學是理工科必修的一門基礎課，只論及物理學是科技創新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對大學物理課程重要性的認識.

2物理學是科技創新的源泉

且不說力學和熱力學的發展，以蒸汽機為標志引發了第一次工業革命，歐洲實現了機械化；且不說庫倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創立的電磁學的發展，以電動機為標志引發了第二次工業革命，歐美實現了電氣化.這兩次工業革命沒有發生在中國，使中國近代落后了.本文著重論述近代物理學的發展對科學技術的巨大推動作用，從而得出結論：物理學是科技創新的源泉.1895年，威廉•倫琴（WilhelmR魻ntgen）發現X射線，這種射線在電場、磁場中不發生偏轉，穿透能力很強，由于當時不知道它是什么，故取名X射線.直到1912年，勞厄（MaxvonLaue）用晶體中的點陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長為10-10m的數量級[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學獎，他發現的X射線開創了醫學影像技術，利用X光機探測骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測腸道梗塞.CT成像也是利用X射線成像，CT成像既可以提供二維（2D）橫切面又可以提供三維（3D）立體表現圖像，它可以清楚地展示被檢測部位的內部結構，可以準確確定病變位置.當今，各醫院都設置放射科，X射線在醫學上得到充分利用.X射線的發現不僅對醫學診斷有重大影響，還直接影響20世紀許多重大科學發現.1913-1914年，威廉•享利•布拉格（willianHenrgBragg）和威廉•勞侖斯•布拉格（WillianLawrenceBragg）提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ（k=1,2,3…）式中d為晶格常數，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長.布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結構，創立了X射線晶體結構分析這一學科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學獎.當今，X射線衍射儀不僅在物理學研究，而且在化學、生物、地質、礦產、材料等學科得到廣泛應用，所有從事自然科學研究的科研院所和大多數高等學校都有X射線衍射儀，它是研究物質結構的必備儀器.1907年，威廉•湯姆孫（W•Thomson）發現電子，電子質量me=9.11×10-31kg，電子荷電e=-1.602×10-19C.電子的荷電性引發了20世紀產生革命.1947年，美國的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導體材料時，發現Ge晶體具有放大作用，發明了晶體三極管，很快取代電子管，隨后晶體管電路不斷向微型化發展.1958年，美國的工程師基爾比制成第一批集成電路.1971年，英特爾公司的霍夫把計算機的中央處理器的全部功能集成在一塊芯片上，制成世界上第一個微處理器.80年代末，芯片上集成的元件數已突破1000萬大關.微電子技術改變了人類生活，微電子技術稱雄20世紀，進入21世紀微電子產業仍繼續稱雄.到各個工業區看看，發現電子廠比比皆是，這真是小小電子轉動了整個地球啊！電子不僅具有荷電性，還具有荷磁性.

1925年，烏倫貝克—哥德斯密脫（Uhlenbeck-Goudsmit）提出自旋假說，每個電子都具有自旋角動量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個數值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個電子的磁矩為MSz=芎μB(μB為玻爾磁子）[7].電子的荷磁性沉睡了半個多世紀，直到1988年阿貝爾•費爾（AlberFert）和彼得•格林貝格爾（PeterGrünberg）發現在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態的變化呈顯著改變，其機理是相臨鐵磁層間通過非磁性Cr產生反鐵磁耦合，不加磁場時電阻率大，當外加磁場時，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運，提出巨磁電阻效應（giantmagnetoresistance,GMR），磁電阻MR定義MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)為零場下的電阻率，ρ(H)為加場下的電阻率[8].GMR效應的發現引起科技界強烈關注，1994年IBM公司依據巨磁電阻效應原理，研制出“新型讀出磁頭”，此前的磁頭是用錳鐵磁體，磁電阻MR只有1%-2%，而新型讀出磁頭的MR約50%，將磁盤記錄密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型讀出磁頭的MR才出現筆記本電腦、MP3等，GMR效應在磁傳感器、數控機庫、非接觸開關、旋轉編碼器等方面得到廣泛應用.阿爾貝?費爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學獎.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達105%，稱為龐磁電阻（Colossalmagnetoresistance,CMR），鈣鈦礦氧化物中有如此高的磁電阻，在磁傳感、磁存儲、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應用前景，引起凝聚態物理和材料科學科研人員的極大關注[10-12].然而，CMR效應還沒有得到實際應用，原因是要實現大的MR需要特斯拉量級的外磁場，問題出在CMR產生的物理機制還沒有真正弄清楚.1905年，愛因斯坦提出[13]：“就一個粒子來說，如果由于自身內部的過程使它的能量減小了，它的靜質量也將相應地減小.”提出著名的質能關系式E=m莓C2式中m.表示經過反應后粒子的總靜質量的減小，E表示核反應釋放的能量.愛因斯坦又提出實現熱核反應的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來驗證這個理論，不是不可能成功的.”按照愛因斯坦的這一重大物理學理論，1938年物理學家發現重原子核裂變.核裂變首先被用于戰爭，1945年8月6日和9日，美國對日本的廣島和長崎各投下一顆原子彈，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布無條件投降.后來原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奧布寧斯克原子能發電站投入運行.2009年，美國有104座核電站，核電站發電量占本國發電總量的20%，法國有59臺機組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國運行的核電站有23座，在建核電站有26座，產能為21.4千兆瓦，核電站發電量占我國發電總量不足3%，所以我國提出大力發展核電，制定了到2020年核電裝機總容量達到58千兆瓦的目標.核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產生溫室效應的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機.利用海水中的氘和氚發生核聚變可以產生巨大能量，受控核聚變正在研究中，若受控核聚變研究成功將為人類提供取之不盡用之不竭的能量.那時，能源危機徹底解除.

20世紀最杰出的成果是計算機，物理學是計算機硬件的基礎.從1946年計算機問世以來，經歷了第一至第五代，計算機硬件中的電子元件隨著物理學的進步，依次經歷了電子管、晶體管、中小規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路；主存儲器用的是磁性材料，隨著物理學的進步，磁性材料的性能越來越高，計算機的硬盤越來越小.近日在第十六屆全國磁學和磁性材料會議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強磁場中心、中科院物理所等，正在對斯格明子（skyrmions）進行攻關,斯格明子具有拓撲納米磁結構，將來的筆記本電腦的硬盤只有花生大小，ipod平板電腦的硬盤縮小到米粒大小.量子力學催生出隧道二極管，量子力學指導著研究電子器件大小的極限，光學纖維的發明為計算機網絡提供數據通道.

1916年，愛因斯坦提出光受激輻射原理，時隔44年，哥倫比亞大學的希奧多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一臺激光器[14].由于激光具有單色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特點，在醫療、農業、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應用.激光在其他方面的應用暫不展開論述，只談談激光加工技術在工業生產上的應用.激光加工技術對材料進行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術具有突出特點：不接觸加工工件，對工件無污染；光點小，能量集中；激光束容易聚焦、導向，便于自動化控制；安全可靠，不會對材料造成機械擠壓或機械應力；切割面光滑、無毛刺；切割面細小，割縫一般在0.1-0.2mm；適合大件產品的加工等.在汽車、飛機、微電子、鋼鐵等行業得到廣泛應用.2014年，僅我國激光加工產業總收入約270億人民幣，其中激光加工設備銷售額達215億人民幣.

2014年，諾貝爾物理學獎授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學家，是因為他們發明了藍色發光二極管（LED），幫助人們以更節能的方式獲得白光光源.他們的突出貢獻在于，在三基色紅、綠、藍中，紅光LED和綠光LED早已發明，但制造藍光LED長期以來是個難題，他們三人于20世紀90年明了藍光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來的LED燈用于照明使消費者感到舒適.這種LED燈耗能很低，耗能不到普通燈泡的1/20，全世界發的電40%用于照明，若把普通燈泡都換成LED燈，全世界每個節省的電能數字驚人！物理學研究給人類帶來不可估量的益處.2010年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因發明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學獎.目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當硅材料尺寸小于10納米時，用它制造出的晶體管穩定性變差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管.此外，石墨烯高度穩定，即使被切成1納米寬的元件，導電性也很好.因此，石墨烯被普遍認為會最終替代硅，從而引發電子工業革命[14].2012年，法國科學家沙吉•哈羅徹(SergeHaroche)與美國科學家大衛•溫蘭德(DavidJ.win-land)，在“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統成為可能”.他們的突破性的方法，使得這一領域的研究朝著基于量子物理學而建造一種新型超快計算機邁出了第一步[16].

2013年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應.早在2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導下開展實驗研究，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應.我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題.這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗.而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，電子自旋向上的在一個跑道上，自旋向下的在另一個跑道上，猶如在高速公路上，它們在各自的跑道上“一往無前”地前進，不產生電子相互碰撞，不會產生熱能損耗.通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成現在的iPad那么大.因此，這一科研成果的應用前景十分廣闊[17].物理學的每一個重大發現、重大發明，都會開辟一塊新天地，帶來產業革命，推動社會進步，創造巨大物質財富.縱觀科學與技術發展史，可以看出物理學是科技創新的源泉.

3結語

論述了X射線，電子、半導體、原子能、激光、藍光LED等的發現或發明對人類進步的巨大推動作用，自然得出結論，物理學是科技創新的源泉.打開國門看一看，美國的著名大學非常注重大學物理，加州理工大學所有一、二年級的公共物理課程總學時為540，英、法、德也在400-500學時[18].國內高校只有中國科學技術大學的大學物理課程做到了與國際接軌，以他們的數學與應用數學為例，大一開設：力學與熱學80學時，大學物理—基礎實驗54學時；大二開設：電磁學80學時，光學與原子物理80學時，大學物理—綜合實驗54學時；大三開設：理論力學60學時，大學物理及實驗總計408學時.在大力倡導全民創業萬眾創新的今天，高等學校理所應當重視物理學教學.各高校的理工科要按照教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導委員會頒發的《非物理類理工學科大學物理課程/實驗教學基本要求》給足大學物理課程及大學物理實驗課時.

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