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半導(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系范文第1篇

因而在量子物理學(xué)中，時(shí)間的引入導(dǎo)致了許多重要而有趣的現(xiàn)象，光譜區(qū)域、共振和平衡態(tài)，量子混合，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和不可逆性和“時(shí)間之箭”均與量子物理學(xué)中的時(shí)間衰變有關(guān)。這本書致力于為量子物理學(xué)中的漸近的時(shí)間衰變的相關(guān)概念和方法提供清晰而準(zhǔn)確的闡述。

本書內(nèi)容共6章：1.單粒子量子力學(xué)的數(shù)學(xué)和物理背景知識(shí)；2.自由波包的傳播和漸近衰變：靜態(tài)相位方法和van der Corput方法；3.類時(shí)間衰變和光譜特性的關(guān)系；4.一類稀疏勢(shì)模型的時(shí)間衰變；5.共振和準(zhǔn)指數(shù)衰變；6量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的連接：無(wú)限自由度的量子系統(tǒng)。

本書作者均來(lái)自巴西圣保羅大學(xué)。本書適合于學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理或量子理論的學(xué)生和相關(guān)研究人員。

半導(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系范文第2篇

關(guān)鍵詞 跨導(dǎo)；金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管；GaAs/AlGaAs；異質(zhì)結(jié)；遷移率

中圖分類號(hào)TN303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）35-0205-02

0 引言

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)半導(dǎo)體材料中輸運(yùn)現(xiàn)象的研究成果已有一定積累，有關(guān)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子態(tài)、極化子的結(jié)合能[1] 、振動(dòng)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(duì)這一問(wèn)題做過(guò)討論[2]，但MOSFET異質(zhì)結(jié)中電子遷移率的壓力效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)還鮮有研究。

1 器件設(shè)計(jì)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(dǎo)又是MOSFET的一個(gè)極重要參數(shù)，所以對(duì)跨導(dǎo)調(diào)控的研究也是非常重要的。1978年和1979年Dingle，，Gossard，Wiegmann[3]和Hess在實(shí)驗(yàn)和理論上研究了載流子與母體施主雜質(zhì)分離后遷移率的增強(qiáng)。在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)中，發(fā)現(xiàn)了局域在異質(zhì)結(jié)界面GaAs側(cè)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(zhǎng)。先是n型的GaAs緩沖層，然后生長(zhǎng)一個(gè)厚度為L(zhǎng)的非摻雜AlGaAs隔離層以及一個(gè)n+型AlGaAs層，最后是覆蓋層。由于GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)中存在的能帶偏移，電子從n+型的AlGaAs層流到GaAs側(cè)，與施主空間分離形成二維電子氣圖1。

2.2 壓力對(duì)各個(gè)參數(shù)的影響

在壓力作用下 ，AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)的內(nèi)建勢(shì)，半導(dǎo)體的能隙、電子的有效質(zhì)量、材料的介電常數(shù)以及晶格振動(dòng)頻率等參數(shù)都會(huì)發(fā)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(dān)內(nèi)建電勢(shì)，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(dǎo)致電子遷移率改變的三個(gè)主要因子以及電子遷移率。

3 壓力對(duì)跨導(dǎo)的影響

MOSFET的一個(gè)極其重要的工作參量是跨導(dǎo)，具有高跨導(dǎo)的器件可以提供大電流，對(duì)電容性負(fù)載進(jìn)行充放電，由此可以減少開(kāi)關(guān)（充放電）時(shí)間，達(dá)到較高的工作頻率。而且，高跨導(dǎo)可以在低輸入電壓時(shí)有相對(duì)較高的輸出電流，因而可以減少功耗。

由壓力引起跨導(dǎo)變化的曲線可以看出，隨著壓力（應(yīng)力）的增加n-mosfet跨導(dǎo)顯著減小。這是因?yàn)閴毫?duì)遷移率的影響來(lái)自于壓力對(duì)電子的有效質(zhì)量、材料的介電常數(shù)、禁帶寬度以及晶格振動(dòng)頻率等各參數(shù)的綜合效應(yīng)，該效應(yīng)主要通過(guò)影響導(dǎo)帶彎曲程度和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度及材料的本身屬性來(lái)反映的。

4 結(jié)論

綜合上述關(guān)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(zhì)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(zhì)散射和晶格散射。同時(shí)還要受到與溝道壁碰撞引起的附加散射。外加應(yīng)力加強(qiáng)了附加散射，這使得兩次碰撞之間的平均自由程時(shí)間減小，從而使得遷移率隨之下降。從而引起跨導(dǎo)顯著減小。并且從上圖中可以看出在（0kbar~100kbar)的范圍內(nèi)跨導(dǎo)保持較高的穩(wěn)定性。所以研究跨導(dǎo)在壓力作用下的變化在納機(jī)電領(lǐng)域、傳感器領(lǐng)域以及IT行業(yè)可能有廣泛的用途。由于本文忽略了磁場(chǎng)，溫度等因素的影響再加實(shí)驗(yàn)偏少。所以文中設(shè)計(jì)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(xiàn)

[1]張敏，班士良.磁場(chǎng)對(duì) GaAs/ Alx Ga1-xAs 異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中束縛極化子的影響[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，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(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系范文第3篇

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革；教學(xué)效果

作者簡(jiǎn)介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 450002）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）34-0085-02

半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生未來(lái)的就業(yè)和發(fā)展。然而，由于半導(dǎo)體物理的學(xué)科性很強(qiáng)，理論較為深?yuàn)W，涉及知識(shí)點(diǎn)多，理論推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導(dǎo)體物理，熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)際中存在的問(wèn)題，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，探索教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、半導(dǎo)體物理課程特點(diǎn)及教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

鄭州輕工業(yè)學(xué)院采用的教材為劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)精品教材。[1]結(jié)合教材特點(diǎn)與教學(xué)實(shí)踐，半導(dǎo)體物理課程教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題與不足[2]可歸納如下：

1.教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)

半導(dǎo)體物理課程前五章為理論基礎(chǔ)部分，主要講述了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上闡述了電子有效質(zhì)量、費(fèi)米能級(jí)、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態(tài)密度、分布函數(shù)、載流子濃度以及遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系。課程涉及理論知識(shí)較深，易混淆知識(shí)點(diǎn)較多，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多基本概念及數(shù)學(xué)公式要求學(xué)生掌握量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和高等數(shù)學(xué)等多門基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)。因此，學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中，在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)上難以銜接，對(duì)相關(guān)理論的掌握存在一定困難。

2.傳統(tǒng)教學(xué)模式難以理論聯(lián)系實(shí)際

半導(dǎo)體物理課程后八章主要介紹了半導(dǎo)體基本器件的結(jié)構(gòu)與性能，半導(dǎo)體的光、電、熱、磁等基本性質(zhì)。如pn結(jié)電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應(yīng)、肖特基接觸與歐姆接觸；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)性能的影響；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體激光器等。由于這部分內(nèi)容主要闡述半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，難以理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于沒(méi)有接觸過(guò)半導(dǎo)體制備工藝的學(xué)生而言，就會(huì)覺(jué)得內(nèi)容枯燥，課堂乏味。

3.教材內(nèi)容無(wú)法追蹤科技前沿

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速，例如在半導(dǎo)體照明、半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域都獲得了重大研究成果，研究領(lǐng)域不斷拓展，新的理論不斷涌現(xiàn)，與化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科之間的交叉和滲透越來(lái)越強(qiáng)，極大地豐富了半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容。而半導(dǎo)體物理教材內(nèi)容的更新相對(duì)較慢，因此，如何在有限的課時(shí)內(nèi)既要講授教材內(nèi)容，又要穿插相關(guān)科技前沿是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

二、半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革措施

基于以上分析，半導(dǎo)體物理課程對(duì)授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學(xué)過(guò)程中將大量的知識(shí)講解清楚，需要教師積極探索新的教學(xué)模式，針對(duì)課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，通過(guò)不斷實(shí)踐克服存在的問(wèn)題與不足，采用多樣化的教學(xué)手段，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，狠抓教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生較好地理解并掌握相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。[3]

1.優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

由于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關(guān)知識(shí)更新較快。因此，授課教師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注科技前沿與研究熱點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)其它課程的教學(xué)內(nèi)容，在保持課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內(nèi)容，刪除教材中相對(duì)陳舊的知識(shí)，密切跟蹤科技前沿與研究熱點(diǎn)，適當(dāng)增加新的理論，補(bǔ)充重要的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經(jīng)詳細(xì)講解過(guò)的能帶理論內(nèi)容，將授課時(shí)間由原來(lái)的8學(xué)時(shí)壓縮至6學(xué)時(shí)；在講解半導(dǎo)體光學(xué)特性時(shí)，結(jié)合半導(dǎo)體光電子學(xué)的研究前沿，增加該部分內(nèi)容所涉及的研究領(lǐng)域與最新技術(shù)，如半導(dǎo)體超晶格、量子阱等方面的內(nèi)容；在講述MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，補(bǔ)充C-V特性的研究意義，介紹半導(dǎo)體表面特性對(duì)集成芯片性能的影響，鼓勵(lì)學(xué)生查閱總結(jié)利用C-V特性研究半導(dǎo)體表面的方法；在講授半導(dǎo)體元器件的結(jié)構(gòu)及性能時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充半導(dǎo)體器件的制備工藝，播放一些半導(dǎo)體器件的制備視頻，讓學(xué)生結(jié)合某種半導(dǎo)體器件分析其結(jié)構(gòu)與性能；在講解半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，先讓學(xué)生了解pn結(jié)種類，然后對(duì)比同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的異同，最后讓學(xué)生掌握異質(zhì)結(jié)的電流電壓特性，通過(guò)增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史，即從第一支同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器只能在低溫下發(fā)射脈沖激光到現(xiàn)在的異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)異性能，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體物理是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，是科技創(chuàng)新的力量源泉。通過(guò)介紹科技前沿與研究熱點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。

2.突出重點(diǎn)，分化難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)基本概念與物理模型

半導(dǎo)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(xué)生很難完全掌握。在講解深?yuàn)W的物理模型時(shí)，教師應(yīng)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)念惐?，通過(guò)生動(dòng)形象的事例對(duì)比分析，加深學(xué)生對(duì)物理模型的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如教材中半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算既是難點(diǎn)又是重點(diǎn)，學(xué)習(xí)中涉及到狀態(tài)密度、玻爾茲曼分布函數(shù)、費(fèi)密分布函數(shù)以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學(xué)生理解，教師可以通過(guò)教學(xué)樓里面的學(xué)生人數(shù)與半導(dǎo)體中的電子數(shù)目進(jìn)行類比：不同樓層的教室對(duì)應(yīng)不同的能帶，教室座位數(shù)對(duì)應(yīng)能態(tài)的數(shù)目，教室的學(xué)生人數(shù)就相當(dāng)于半導(dǎo)體中的電子數(shù)目，這樣，計(jì)算半導(dǎo)體電子濃度的問(wèn)題就與計(jì)算教室單位空間內(nèi)學(xué)生人數(shù)的問(wèn)題非常類似。通過(guò)這種生動(dòng)形象的類比，學(xué)生很容易明白半導(dǎo)體中的能態(tài)密度就相當(dāng)于教室單位空間的座位數(shù)，而半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)幾率就對(duì)應(yīng)于教室內(nèi)學(xué)生的入座情況。半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)概率需要滿足波爾茲曼分布函數(shù)或費(fèi)米分布函數(shù)，而分布函數(shù)的確定取決于費(fèi)米能級(jí)的位置，當(dāng)分布函數(shù)確定后，單位能量間隔內(nèi)的電子數(shù)目就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的微積分計(jì)算出來(lái)。

另外，半導(dǎo)體物理課程中理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的近似處理較多，繁瑣的公式推導(dǎo)增加了學(xué)生對(duì)物理模型的理解。如果教師在教學(xué)過(guò)程中能適當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ秃凸酵茖?dǎo)分開(kāi)，正確處理兩者之間的關(guān)系，分別從物理和數(shù)學(xué)兩方面尋找攻克這些難點(diǎn)的途徑，使學(xué)生在徹底理解物理模型的基礎(chǔ)上掌握理論推導(dǎo)。例如教材中有關(guān)n型半導(dǎo)體載流子濃度的內(nèi)容安排如下：首先根據(jù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性條件，推導(dǎo)出一個(gè)包含費(fèi)米能的表達(dá)式，然后根據(jù)雜質(zhì)電離情況分為低溫弱電離區(qū)、中間電離區(qū)、強(qiáng)電離區(qū)、過(guò)渡區(qū)以及高溫本征激發(fā)區(qū)，最后再根據(jù)不同電離區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但分區(qū)討論和近似處理部分篇幅較長(zhǎng)。如果運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生很容易沉浸在復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過(guò)程中先讓學(xué)生了解該部分內(nèi)容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區(qū)的主要特點(diǎn)，最后總結(jié)規(guī)律，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論，就能很好地提高教學(xué)效果。

3.溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)各章節(jié)之間的聯(lián)系

對(duì)于課堂上剛剛講授過(guò)的知識(shí)，學(xué)生并不一定能夠完全掌握，此時(shí)教師應(yīng)該結(jié)合半導(dǎo)體物理課程的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中做到溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)不同章節(jié)之間知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。例如pn結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，如日常生活中常見(jiàn)的激光器、LED、整流器、調(diào)制器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等。在講授該章內(nèi)容時(shí)，如果教師以pn結(jié)為主線將教材中不同章節(jié)之間的內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生就會(huì)從整體上進(jìn)一步了解半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容。只有在教學(xué)過(guò)程中不斷加強(qiáng)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，學(xué)生才能完全掌握半導(dǎo)體器件的基本原理，為以后從事半導(dǎo)體行業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再如所選教材中有關(guān)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算，分為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體兩種情況。在講述后者時(shí)，教師通過(guò)對(duì)比分析非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體在概念上有何異同，再引導(dǎo)學(xué)生比較簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算公式，學(xué)生就會(huì)意識(shí)到二者的主要區(qū)別就是分布函數(shù)不同，在計(jì)算簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度時(shí)，雖然分布函數(shù)替換后導(dǎo)致積分變復(fù)雜，但只是數(shù)學(xué)處理的方法不同，兩者的物理思想?yún)s完全一致。通過(guò)這樣的比較學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與簡(jiǎn)并半導(dǎo)體以及玻爾茲曼分布函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)的理解就會(huì)更加深入。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上教學(xué)改革措施，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了半導(dǎo)體物理課程的課堂教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

半導(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系范文第4篇

本世紀(jì)初興起了納米科技，促進(jìn)其到來(lái)的是由于微電子小型化的發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)科技發(fā)展進(jìn)入納米時(shí)代[1]，不僅電子學(xué)將進(jìn)入納電子學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)進(jìn)入介觀物理領(lǐng)域，各類科技，包括生物醫(yī)學(xué)等都在探索納米結(jié)構(gòu)與特性。涂層和表面改性越來(lái)越多地增加了納米科技的內(nèi)容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術(shù)的主流，將迅速地改變傳統(tǒng)制造技術(shù)的方法、理論和觀念，作為現(xiàn)今國(guó)際上的制造大國(guó)，世界加工廠，我們更應(yīng)該注意研究制造技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)。

1突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的觀念

納米科技研究的內(nèi)容主要是在原子、分子尺度上構(gòu)造材料和器件，測(cè)量表征其結(jié)構(gòu)和特性，探索、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和應(yīng)用領(lǐng)域。與我們熟悉傳統(tǒng)的相比，納米材料和器件具有顯著的維數(shù)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。近幾年來(lái)，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(jié)構(gòu)和特性測(cè)量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來(lái)深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現(xiàn)了一些成功有效的制造方法，發(fā)現(xiàn)了一些驚人的結(jié)構(gòu)和特性。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了納米復(fù)合材料的研究，展現(xiàn)了非常有希望的應(yīng)用前景[15～17]。近來(lái)人們?cè)诩{米科技初期成果的基礎(chǔ)上挑戰(zhàn)某些產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術(shù)，比如Al組件的快速加工。

T.B.Sercombe等人報(bào)道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個(gè)方法的主要特征是用快速成型技術(shù)先形成樹(shù)脂鍵合件，然后在氮?dú)夥罩蟹纸馄滏I和第二次滲入鋁合金。在熱處理過(guò)程中，鋁與氮反應(yīng)形成氮化鋁骨架，在滲透過(guò)程中得到剛體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的快速的，可以制造任何復(fù)雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過(guò)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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)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(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡像，再滲入Al時(shí)將形成密實(shí)結(jié)構(gòu)。(c)是燒結(jié)的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強(qiáng)度都達(dá)到了傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的水平。他們還制作了公斤重量多種結(jié)構(gòu)的樣品。這是一種冶金技術(shù)的探索，開(kāi)辟了一種新的冶金和制造技術(shù)途徑。

2納米材料的完美定律

描述材料結(jié)構(gòu)的常用術(shù)語(yǔ)是原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)的主要參量是晶格常數(shù)、鍵長(zhǎng)、鍵角；電子結(jié)構(gòu)的主要參量是能帶、量子態(tài)、分布函數(shù)。對(duì)于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數(shù)，但對(duì)于納米體系，多數(shù)參量隨著原子數(shù)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(gè)重要規(guī)律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡(jiǎn)單語(yǔ)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(shù)規(guī)則，即含有13、55、147…等數(shù)量原子的原子團(tuán)是穩(wěn)定的，對(duì)于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對(duì)于碳59或碳71等結(jié)構(gòu)體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當(dāng)初能在大量的富勒烯中首先發(fā)現(xiàn)碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。對(duì)于一維納米結(jié)構(gòu)，包括納米管和納米線，存在類似的規(guī)則?？梢阅Ｐ蜕险J(rèn)為是由殼層構(gòu)成的，每個(gè)殼層中更精細(xì)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結(jié)構(gòu)，等等，構(gòu)成最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這是一維納米結(jié)構(gòu)的魔數(shù)規(guī)則。對(duì)二維納米膜存在類似的缺陷熔化規(guī)則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過(guò)臨界值，缺陷自發(fā)產(chǎn)生，完全破壞二維晶態(tài)結(jié)構(gòu)。上述這些低維結(jié)構(gòu)特征是完美定律的具體表述，進(jìn)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(fā)點(diǎn)，因?yàn)榧{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(guò)程中，方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)額高、成本低是最有競(jìng)爭(zhēng)力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場(chǎng)，一定是不計(jì)成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會(huì)需求。因此在我們探索納米材料制造時(shí)，首先考慮的應(yīng)是滿足完美定律的技術(shù)，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術(shù)[1]，電化學(xué)沉積法制備金屬納米線陣列技術(shù)[19]，以及電爐燒結(jié)法制造氧化物納米帶技術(shù)[20]等等。

3涂層納米材料將給我們帶來(lái)什么?

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

熱電效應(yīng)器件的代表是熱電偶，即利用不同導(dǎo)體接觸的溫差電現(xiàn)象進(jìn)行溫度測(cè)量的器件。基于熱電效應(yīng)可以制成兩類器件：熱產(chǎn)生電和電產(chǎn)生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發(fā)電，如將焦電材料涂于內(nèi)燃機(jī)缸表面，利用缸體溫度高于環(huán)境幾百度的溫差發(fā)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(wú)污染，沒(méi)有活動(dòng)部件，長(zhǎng)壽命，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應(yīng)用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結(jié)構(gòu)能否解決熱電效應(yīng)的效率問(wèn)題。認(rèn)為用量子點(diǎn)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(jí)分裂，有利于載流子的共振輸運(yùn)和降低晶格熱傳導(dǎo)，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報(bào)告了量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的熱-電效應(yīng)器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點(diǎn)超晶格(QDSL)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長(zhǎng)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(dǎo)而形成這同結(jié)接觸，用一根細(xì)金屬線與熱槽連接。當(dāng)如圖2(a)所示加電流源時(shí)，將致冷降溫。對(duì)于這種納米線超晶格結(jié)構(gòu)，由于量子限制效應(yīng)，發(fā)生間隔很大的能級(jí)分裂，從而得到很高的熱電轉(zhuǎn)換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關(guān)系，電流坐標(biāo)表示相應(yīng)通過(guò)器件的電流。為熱端溫度Th與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于流過(guò)器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關(guān)系，其溫度對(duì)于電流是敏感的。圖中A是測(cè)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(shí)，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(yīng)的逆過(guò)程的應(yīng)用就是焦電器件，即利用熱源與環(huán)境的溫差發(fā)電。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)、鍋爐、致冷器高溫?zé)岫说仍O(shè)備的熱壁，涂上超晶格納米結(jié)構(gòu)涂層，利用剩余熱能發(fā)電，將是人們利用納米材料和組裝技術(shù)研究的重要課題。

類似面致冷、取暖，面光源，面環(huán)境監(jiān)測(cè)等涂層功能材料，將給家電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性的影響，將會(huì)極大地改變?nèi)祟惖纳罘绞胶陀^念。

4含鐵碳納米管薄膜場(chǎng)發(fā)射

碳納米管陣列或含碳納米管涂層場(chǎng)發(fā)射被廣泛研究，以其為場(chǎng)發(fā)射陰極做成了平板顯示器。研究結(jié)果表明碳管的前端有較強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力，因此碳管涂層膜中多數(shù)碳管是平放在基底上的，場(chǎng)電子發(fā)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(cè)向有更大的場(chǎng)發(fā)射能力，有利于用涂層法制造平板場(chǎng)發(fā)射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發(fā)生顯著改變。(b)是碳管場(chǎng)發(fā)射I-V特性曲線，I是CVD生長(zhǎng)的豎直排列碳納米管的場(chǎng)發(fā)射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場(chǎng)發(fā)射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場(chǎng)發(fā)射曲線，有最強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射能力。根據(jù)此結(jié)果，將含鐵的碳納米管用作涂層場(chǎng)發(fā)射陰極，有利于研制平板顯示器。

5電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)物質(zhì)

上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當(dāng)今國(guó)際上研究的熱門課題，會(huì)很快取得重要成果，甚至有新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。當(dāng)我們?cè)谟懻撨@個(gè)納米科技中的重要方向時(shí)，不能不考慮更深層的理論問(wèn)題和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。這就涉及到物理學(xué)的重要理論問(wèn)題，即電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態(tài)物質(zhì)(softcondensationmatter)。

在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，金屬材料電導(dǎo)的來(lái)源是個(gè)謎，20世紀(jì)初量子力學(xué)誕生后，解決了金屬導(dǎo)電問(wèn)題。基于Bloch假設(shè)：晶體中原子的外層電子，適應(yīng)晶格周期調(diào)整它們的波長(zhǎng)，在整個(gè)晶體中傳播；電子-電子間沒(méi)有相互作用。這是量子力學(xué)的簡(jiǎn)化模型，沒(méi)有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態(tài)電子的強(qiáng)相互作用。2003年又有人提出了金屬導(dǎo)電問(wèn)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(dǎo)電問(wèn)題[24]。當(dāng)計(jì)入電子間的相互作用時(shí)，可能產(chǎn)生的多體態(tài)，超導(dǎo)和巨磁阻就是這種狀態(tài)。晶體中的缺陷破壞了完善導(dǎo)體，導(dǎo)致電子局域化。電子與核作用的等效結(jié)果表現(xiàn)為電子間的吸引作用，導(dǎo)致電荷載流子為Cooper對(duì)。但這個(gè)對(duì)的形成，不是超導(dǎo)的充分條件。當(dāng)所有Cooper對(duì)都成為單量子態(tài)時(shí)，才能觀察到超導(dǎo)性。這樣，對(duì)于費(fèi)米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產(chǎn)生宏觀上的單量子態(tài)。Cooper對(duì)的旋轉(zhuǎn)半徑小于通常兩個(gè)電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現(xiàn)單量子態(tài)，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內(nèi)，超導(dǎo)性可能認(rèn)為是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，這個(gè)觀點(diǎn)現(xiàn)今被很多人接受。從20世紀(jì)初至今，對(duì)于基本粒子的量子統(tǒng)計(jì)有兩種，一是Fermi統(tǒng)計(jì)，遵從Paulii不相容原理，即每個(gè)能量量子態(tài)上只能容納自旋不同的2個(gè)電子，而B(niǎo)ose子則不受這個(gè)限制。在凝聚態(tài)物質(zhì)中有兩個(gè)基態(tài)：即共有化Bose子呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，局域化Bose子呈現(xiàn)絕緣態(tài)。然而，在幾個(gè)薄合金膜的實(shí)驗(yàn)中，觀察到金屬相，破壞了超導(dǎo)體和絕緣體之間直接轉(zhuǎn)換。經(jīng)分析認(rèn)為這是玻色金屬態(tài)，參與導(dǎo)電的是Bose子。推斷這個(gè)金屬相可能是渦流玻璃態(tài)，這個(gè)現(xiàn)象在銅氧化物超導(dǎo)體中得到了驗(yàn)證。

軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究的對(duì)象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長(zhǎng)程作用力，表觀上呈現(xiàn)的粘稠物質(zhì)形態(tài)，稱為軟凝聚態(tài)。至今，人類對(duì)于晶體和原子存在強(qiáng)相互作用的固體已經(jīng)知道得相當(dāng)透徹了，但對(duì)軟凝聚態(tài)的很多科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有深入研究，21世紀(jì)以來(lái)，引起了科學(xué)家的極大興趣。軟凝聚態(tài)物質(zhì)包括流體、離子液體、復(fù)合流體、液晶、固體電解、離子導(dǎo)體、有機(jī)粘稠體、有機(jī)柔性材料、有機(jī)復(fù)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(chǎng)需求，是被研究得相當(dāng)清楚的一種。其他軟凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和特性的科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用前景是目前被關(guān)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(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)陶瓷、流體類導(dǎo)體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機(jī)晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復(fù)合，統(tǒng)稱為分子調(diào)控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結(jié)構(gòu)的多變性和柔性，研究材料的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)和特性的測(cè)量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體系，光、電、熱、機(jī)械特性，以及載流子及其輸運(yùn)。關(guān)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對(duì)其理論研究處于初期階段?？茖W(xué)的發(fā)展和應(yīng)用的需求促進(jìn)深入的理論研究，判斷體系穩(wěn)定存在的依據(jù)是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對(duì)于軟凝聚態(tài)物質(zhì)體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜行為，更多的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)，不再是單粒子統(tǒng)計(jì)所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統(tǒng)計(jì)理論。多樣性是這個(gè)體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復(fù)雜問(wèn)題。

物理學(xué)是探索物態(tài)結(jié)構(gòu)與特性的基礎(chǔ)學(xué)科，是認(rèn)識(shí)自然和發(fā)展科技的基礎(chǔ)，其中以原子間有較強(qiáng)作用的稠密物質(zhì)體系為主要研究對(duì)象的凝聚態(tài)物理近些年有了迅速進(jìn)展，研究范圍不斷擴(kuò)大，從固體結(jié)構(gòu)、相變、光電磁特性擴(kuò)展到液晶、復(fù)雜流體、聚合物和生物體結(jié)構(gòu)等。幾乎每一二十年就有新物質(zhì)狀態(tài)被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)和對(duì)其規(guī)律把握能力，推動(dòng)了科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。21世紀(jì)仍有一些老的科學(xué)問(wèn)題需要深入研究，一些新科學(xué)問(wèn)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(wèn)題。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的介觀物理，后來(lái)發(fā)展成為納米科技所涉及的學(xué)科領(lǐng)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(wèn)題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規(guī)則和結(jié)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(tǒng)問(wèn)題的描述和表征，將會(huì)有更多的新現(xiàn)象、新效應(yīng)、新規(guī)律被發(fā)現(xiàn)。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測(cè)量、表征，涉及有機(jī)材料、無(wú)機(jī)／有機(jī)復(fù)合材料和生物材料，這將大大的擴(kuò)展了物理學(xué)研究的范圍和深度。涉及的重大科學(xué)前沿問(wèn)題和重點(diǎn)發(fā)展方向有①?gòu)?qiáng)關(guān)聯(lián)和軟凝聚態(tài)物質(zhì)，及其他新奇特性凝聚態(tài)物質(zhì)；②低維量子限域體系的結(jié)構(gòu)和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結(jié)構(gòu)和特性；③粒子物理，描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和基本相互作用的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和有關(guān)問(wèn)題，以及復(fù)雜系統(tǒng)物理；④極端條件下的物理問(wèn)題，探索高能過(guò)程、核結(jié)構(gòu)、等離子體、新物理現(xiàn)象和核物質(zhì)新形態(tài)等；⑤生命活動(dòng)中的物理問(wèn)題，物理學(xué)的基本規(guī)律、概念、技術(shù)引入生命科學(xué)中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能等，其研究關(guān)鍵將在于定量化和系統(tǒng)性，必然是多學(xué)科的交叉發(fā)展，成為未來(lái)科學(xué)的重要領(lǐng)域。

半導(dǎo)體與量子力學(xué)的關(guān)系范文第5篇

關(guān)鍵詞：X射線；半導(dǎo)體；原子能；激光；藍(lán)光LED；科技創(chuàng)新；大學(xué)物理

1引言

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用以及最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[1-3]，其內(nèi)容廣博、精深，研究方法多樣、巧妙，被視為一切自然科學(xué)的基礎(chǔ).縱觀物理學(xué)發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)：其蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和知識(shí)的形成，同時(shí)，其每一次新的發(fā)現(xiàn)都會(huì)帶動(dòng)人類社會(huì)的科技創(chuàng)新和科技發(fā)展.正因如此，大學(xué)物理成為了高等學(xué)校理、工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課程.按照教育部頒發(fā)的相關(guān)文件要求[4-5]，大學(xué)物理課程最低學(xué)時(shí)數(shù)為126學(xué)時(shí)，其中理科、師范類非物理專業(yè)不少于144學(xué)時(shí)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)最低學(xué)時(shí)數(shù)為54學(xué)時(shí)，其中工科、師范類非物理專業(yè)不少于64學(xué)時(shí).然而調(diào)查顯示，眾多高校（尤其是新建本科院校）并沒(méi)有嚴(yán)格按照教育部頒發(fā)的課程基本要求開(kāi)設(shè)大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程.他們往往打著“寬口徑、應(yīng)用型”的晃子，大幅壓縮大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)，如今，大學(xué)物理及其實(shí)驗(yàn)課程的總學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)際僅為32-96學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教育部要求的最低標(biāo)準(zhǔn)（180學(xué)時(shí)）.試問(wèn)這么少的課時(shí)怎么講豐富、深?yuàn)W的大學(xué)物理？怎么能夠真正發(fā)揮出大學(xué)物理的作用？于是有的院、系要求只講力學(xué)，有的要求只講熱學(xué)，有的則要求只講電磁學(xué)，…面對(duì)這種情況，大學(xué)物理的授課教師在無(wú)奈狀態(tài)下講授大學(xué)物理.從《大學(xué)物理課程報(bào)告論壇》上獲悉，這不是個(gè)別學(xué)校的做法，在全國(guó)具有普遍性.殊不知，力、熱、光、電磁、原子是一個(gè)完整的體系，相互聯(lián)系，缺一不可.這種以消減教學(xué)內(nèi)容為代價(jià)，解決課時(shí)不足的做法，就如同削足適履，是對(duì)教育規(guī)律不尊重，是管理者思想意識(shí)落后的一種體現(xiàn).本文且不論述物理學(xué)是理工科必修的一門基礎(chǔ)課，只論及物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉這一命題，以期提高教育管理者對(duì)大學(xué)物理課程重要性的認(rèn)識(shí).

2物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉

且不說(shuō)力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第一次工業(yè)革命，歐洲實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；且不說(shuō)庫(kù)倫、法拉第、楞次、安培、麥克斯韋等創(chuàng)立的電磁學(xué)的發(fā)展，以電動(dòng)機(jī)為標(biāo)志引發(fā)了第二次工業(yè)革命，歐美實(shí)現(xiàn)了電氣化.這兩次工業(yè)革命沒(méi)有發(fā)生在中國(guó)，使中國(guó)近代落后了.本文著重論述近代物理學(xué)的發(fā)展對(duì)科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)作用，從而得出結(jié)論：物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.1895年，威廉•倫琴（WilhelmR魻ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線，這種射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿透能力很強(qiáng)，由于當(dāng)時(shí)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(diǎn)陣作為衍射光柵，確定它是一種光波，波長(zhǎng)為10-10m的數(shù)量級(jí)[6].倫琴獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他發(fā)現(xiàn)的X射線開(kāi)創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，利用X光機(jī)探測(cè)骨骼的病變，胸腔X光片診斷肺部病變，腹腔X光片檢測(cè)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(xiàn)圖像，它可以清楚地展示被檢測(cè)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確確定病變位置.當(dāng)今，各醫(yī)院都設(shè)置放射科，X射線在醫(yī)學(xué)上得到充分利用.X射線的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，還直接影響20世紀(jì)許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn).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(shù)，α為入射光與晶面夾角，λ為X射線波長(zhǎng).布拉格父子提出使用X射線衍射研究晶體原子、分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)立了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析這一學(xué)科，布拉格父子獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)今，X射線衍射儀不僅在物理學(xué)研究，而且在化學(xué)、生物、地質(zhì)、礦產(chǎn)、材料等學(xué)科得到廣泛應(yīng)用，所有從事自然科學(xué)研究的科研院所和大多數(shù)高等學(xué)校都有X射線衍射儀，它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的必備儀器.1907年，威廉•湯姆孫（W•Thomson）發(fā)現(xiàn)電子，電子質(zhì)量me=9.11×10-31kg，電子荷電e=-1.602×10-19C.電子的荷電性引發(fā)了20世紀(jì)產(chǎn)生革命.1947年，美國(guó)的巴丁、布萊頓和肖克利研究半導(dǎo)體材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ge晶體具有放大作用，發(fā)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(fā)展.1958年，美國(guó)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(jì)算機(jī)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(gè)微處理器.80年代末，芯片上集成的元件數(shù)已突破1000萬(wàn)大關(guān).微電子技術(shù)改變了人類生活，微電子技術(shù)稱雄20世紀(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)微電子產(chǎn)業(yè)仍繼續(xù)稱雄.到各個(gè)工業(yè)區(qū)看看，發(fā)現(xiàn)電子廠比比皆是，這真是小小電子轉(zhuǎn)動(dòng)了整個(gè)地球?。‰娮硬粌H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(shuō)，每個(gè)電子都具有自旋角動(dòng)量S軋，它在空間任意方向上的投影只可能取兩個(gè)數(shù)值，Sz=±h2；電子具有荷磁性，每個(gè)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(gè)多世紀(jì)，直到1988年阿貝爾•費(fèi)爾（AlberFert）和彼得•格林貝格爾（PeterGrünberg）發(fā)現(xiàn)在Fe/Cr多層膜中，材料的電阻率受材料磁化狀態(tài)的變化呈顯著改變，其機(jī)理是相臨鐵磁層間通過(guò)非磁性Cr產(chǎn)生反鐵磁耦合，不加磁場(chǎng)時(shí)電阻率大，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，相鄰鐵磁層的磁矩方向排列一致，對(duì)電子的散射弱，電阻率小.利用磁性控制電子的輸運(yùn)，提出巨磁電阻效應(yīng)（giantmagnetoresistance,GMR），磁電阻MR定義MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)為零場(chǎng)下的電阻率，ρ(H)為加場(chǎng)下的電阻率[8].GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起科技界強(qiáng)烈關(guān)注，1994年IBM公司依據(jù)巨磁電阻效應(yīng)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(xiàn)筆記本電腦、MP3等，GMR效應(yīng)在磁傳感器、數(shù)控機(jī)庫(kù)、非接觸開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等方面得到廣泛應(yīng)用.阿爾貝?費(fèi)爾和彼得?格林貝格爾獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到MR高達(dá)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(chǔ)、自旋晶體管、磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，引起凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)科研人員的極大關(guān)注[10-12].然而，CMR效應(yīng)還沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，原因是要實(shí)現(xiàn)大的MR需要特斯拉量級(jí)的外磁場(chǎng)，問(wèn)題出在CMR產(chǎn)生的物理機(jī)制還沒(méi)有真正弄清楚.1905年，愛(ài)因斯坦提出[13]：“就一個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，如果由于自身內(nèi)部的過(guò)程使它的能量減小了，它的靜質(zhì)量也將相應(yīng)地減小.”提出著名的質(zhì)能關(guān)系式E=m莓C2式中m.表示經(jīng)過(guò)反應(yīng)后粒子的總靜質(zhì)量的減小，E表示核反應(yīng)釋放的能量.愛(ài)因斯坦又提出實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)的途徑：“用那些所含能量是高度可變的物體（比如用鐳鹽）來(lái)驗(yàn)證這個(gè)理論，不是不可能成功的.”按照愛(ài)因斯坦的這一重大物理學(xué)理論，1938年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)重原子核裂變.核裂變首先被用于戰(zhàn)爭(zhēng)，1945年8月6日和9日，美國(guó)對(duì)日本的廣島和長(zhǎng)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(wú)條件投降.后來(lái)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(fā)電站投入運(yùn)行.2009年，美國(guó)有104座核電站，核電站發(fā)電量占本國(guó)發(fā)電總量的20%，法國(guó)有59臺(tái)機(jī)組，占80%；日本有55座核電站，占30%.截至2015年4月，我國(guó)運(yùn)行的核電站有23座，在建核電站有26座，產(chǎn)能為21.4千兆瓦，核電站發(fā)電量占我國(guó)發(fā)電總量不足3%，所以我國(guó)提出大力發(fā)展核電，制定了到2020年核電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到58千兆瓦的目標(biāo).核能的利用，一方面減少了化石能源的消耗，從而減少了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體———二氧化碳的排放，另一方面有力地解決能源危機(jī).利用海水中的氘和氚發(fā)生核聚變可以產(chǎn)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(shí)，能源危機(jī)徹底解除.

20世紀(jì)最杰出的成果是計(jì)算機(jī)，物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ).從1946年計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了第一至第五代，計(jì)算機(jī)硬件中的電子元件隨著物理學(xué)的進(jìn)步，依次經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路；主存儲(chǔ)器用的是磁性材料，隨著物理學(xué)的進(jìn)步，磁性材料的性能越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的硬盤越來(lái)越小.近日在第十六屆全國(guó)磁學(xué)和磁性材料會(huì)議（2015年10月21—25日）上獲悉，中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心、中科院物理所等，正在對(duì)斯格明子（skyrmions）進(jìn)行攻關(guān),斯格明子具有拓?fù)浼{米磁結(jié)構(gòu)，將來(lái)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(xué)催生出隧道二極管，量子力學(xué)指導(dǎo)著研究電子器件大小的極限，光學(xué)纖維的發(fā)明為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)通道.

1916年，愛(ài)因斯坦提出光受激輻射原理，時(shí)隔44年，哥倫比亞大學(xué)的希奧多•梅曼（TheodoreMaiman）于1960制成第一臺(tái)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(diǎn)，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、通訊、金屬微加工，軍事等方面得到廣泛應(yīng)用.激光在其他方面的應(yīng)用暫不展開(kāi)論述，只談?wù)劶す饧庸ぜ夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用.激光加工技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面處理、微加工等，激光加工技術(shù)具有突出特點(diǎn)：不接觸加工工件，對(duì)工件無(wú)污染；光點(diǎn)小，能量集中；激光束容易聚焦、導(dǎo)向，便于自動(dòng)化控制；安全可靠，不會(huì)對(duì)材料造成機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力；切割面光滑、無(wú)毛刺；切割面細(xì)小，割縫一般在0.1-0.2mm；適合大件產(chǎn)品的加工等.在汽車、飛機(jī)、微電子、鋼鐵等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用.2014年，僅我國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)總收入約270億人民幣，其中激光加工設(shè)備銷售額達(dá)215億人民幣.

2014年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科學(xué)家，是因?yàn)樗麄儼l(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED），幫助人們以更節(jié)能的方式獲得白光光源.他們的突出貢獻(xiàn)在于，在三基色紅、綠、藍(lán)中，紅光LED和綠光LED早已發(fā)明，但制造藍(lán)光LED長(zhǎng)期以來(lái)是個(gè)難題，他們?nèi)擞?0世紀(jì)90年明了藍(lán)光LED，這樣三基色LED全被找到了，制造出來(lái)的LED燈用于照明使消費(fèi)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(fā)的電40%用于照明，若把普通燈泡都換成LED燈，全世界每個(gè)節(jié)省的電能數(shù)字驚人！物理學(xué)研究給人類帶來(lái)不可估量的益處.2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫（Kon-stantinNovoselov），因發(fā)明石墨烯材料，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性變差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1個(gè)分子大小的單電子晶體管.此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被切成1納米寬的元件，導(dǎo)電性也很好.因此，石墨烯被普遍認(rèn)為會(huì)最終替代硅，從而引發(fā)電子工業(yè)革命[14].2012年，法國(guó)科學(xué)家沙吉•哈羅徹(SergeHaroche)與美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)•溫蘭德(DavidJ.win-land)，在“突破性的試驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”.他們的突破性的方法，使得這一領(lǐng)域的研究朝著基于量子物理學(xué)而建造一種新型超快計(jì)算機(jī)邁出了第一步[16].

2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng).早在2010年，我國(guó)理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系，薛其坤等在這一理論指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng).我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題.這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗.而量子霍爾效應(yīng)則可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，電子自旋向上的在一個(gè)跑道上，自旋向下的在另一個(gè)跑道上，猶如在高速公路上，它們?cè)诟髯缘呐艿郎稀耙煌鶡o(wú)前”地前進(jìn)，不產(chǎn)生電子相互碰撞，不會(huì)產(chǎn)生熱能損耗.通過(guò)密度集成，將來(lái)計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大.因此，這一科研成果的應(yīng)用前景十分廣闊[17].物理學(xué)的每一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)、重大發(fā)明，都會(huì)開(kāi)辟一塊新天地，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，創(chuàng)造巨大物質(zhì)財(cái)富.縱觀科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史，可以看出物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.

3結(jié)語(yǔ)

論述了X射線，電子、半導(dǎo)體、原子能、激光、藍(lán)光LED等的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明對(duì)人類進(jìn)步的巨大推動(dòng)作用，自然得出結(jié)論，物理學(xué)是科技創(chuàng)新的源泉.打開(kāi)國(guó)門看一看，美國(guó)的著名大學(xué)非常注重大學(xué)物理，加州理工大學(xué)所有一、二年級(jí)的公共物理課程總學(xué)時(shí)為540，英、法、德也在400-500學(xué)時(shí)[18].國(guó)內(nèi)高校只有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理課程做到了與國(guó)際接軌，以他們的數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)為例，大一開(kāi)設(shè)：力學(xué)與熱學(xué)80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大二開(kāi)設(shè)：電磁學(xué)80學(xué)時(shí)，光學(xué)與原子物理80學(xué)時(shí)，大學(xué)物理—綜合實(shí)驗(yàn)54學(xué)時(shí)；大三開(kāi)設(shè)：理論力學(xué)60學(xué)時(shí)，大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)總計(jì)408學(xué)時(shí).在大力倡導(dǎo)全民創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新的今天，高等學(xué)校理所應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)教學(xué).各高校的理工科要按照教育部高等學(xué)校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)頒發(fā)的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程/實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本要求》給足大學(xué)物理課程及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí).

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