半導體與量子力學的關系精選(九篇)

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第1篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞：凝聚態物理；關聯區；量子態；理論方法

中圖分類號：O469 文獻標識碼：A

凝聚態物理學是當今物理學中最大也是最重要的分支學科之一，它是從微觀角度出發，研究凝聚態物質的物理性質、微觀結構以及它們之間的關系，因此建立起既深刻又普遍的理論體系，是當前物理學中最重要、最豐富和最活躍的學科，在許多學科領域中的重大成就已在當今高新科學技術領域中起了關鍵性作用，為發展新材料、新器件和新工藝提供了科學基礎。凝聚態物理一方面與粒子物理學在概念上的發展相互滲透，對一些最基本的問題給出啟示；另一方面為新型材料的研發和制備提供理論上和實驗上的支持，與工科的技術學科銜接構成科學上最有實用性的拓新領域。那么，當今凝聚態物理主要研究哪些分支內容？使用什么樣的理論方法？這些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚態物理當今主要研究的一些分支內容

凝聚態指的是由大量粒子組成且粒子間有很強相互作用的系統。固態和液態是最常見的凝聚態，低溫下的超流態、超導態、玻色-愛因斯坦凝聚態、磁介質中的鐵磁態、反鐵磁態等，也都是凝聚態。凝聚態物理是屬于偏應用的交叉學科，研究方向和分支很多，基本任務是闡明微觀結構與物理性質的關系。傳統的凝聚態物理主要研究半導體、磁學、超導體等，現今凝聚態物理學研究的理論內容十分廣泛，以下是其中較活躍的幾個分支：

1.固體電子論中的關聯區

研究固體中的電子行為，是凝聚態物理的前身固體物理學的核心問題。按電子間相互作用的大小，固體中電子的行為分成3個區域，它們分別是弱關聯區、中等關聯區和強關聯區。弱關聯區的研究基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，應用于半導體和簡單金屬，構成了半導體物理學的理論基礎；中等關聯區的研究包括一般金屬和強磁性物質，是構成鐵磁學的物理基礎；強關聯區則涉及電子濃度很低的不良金屬，諸如莫脫絕緣體、近藤效應、巨磁電阻效應等，它們的物理性質問題尚未得到很好地解決。

現今對固體電子論的研究比較注重的是強關聯系統。

2.宏觀量子態

用量子力學描述宏觀體系的狀態稱為宏觀量子態，如超導中電子的庫珀對。超導現象是電阻在臨界轉變溫度Tc以下突然降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體，超流現象是當液氦（4He）的溫度降到2.17K時，由正常流體突然轉變為具有一系列極不尋常的性質的“超流體”。宏觀量子態具有典型的量子力學性質，如勢壘隧道穿越和位相相干等。當前量子力學研究的重要課題是退相干現象和耗散現象。

3.介觀物理與納米結構

介觀是介于宏觀與微觀之間的一種體系，處于介觀的物體的尺寸可以說是宏觀的，因而具有宏觀體系的特點；但是由于其中電子運動的相干性，會出現一系列新的與量子力學相位相聯系的干涉現象，這又與微觀體系相似，故稱“介觀”。介觀物理學所研究的物質尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。

為獲取更優異的物理性能，凝聚態物理界從20世紀中期開始注重將材料按特定的結構尺度組織成復合體，若結構尺度在1nm～100nm范圍內，即為納米結構，它在基礎研究中發揮的重要的作用是：在兩維電子氣中發現了整數量子霍爾效應、分數量子霍耳效應和維格納晶格，在一維導體中驗證了盧廷格液體的理論，在一些人工的納米結構中發現了介觀量子輸運現象。在未來的一段時期內，納米電子學和自旋電子學將成為固體電子學和光子學的發展主流。

4.軟物質物理學

1991年被提出的軟物質也被稱為復雜液體，它是介于固體與液體之間的物相，一般由大分子或基團組成，諸如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命體系物質諸如DNA、細胞、體液、蛋白質等都屬于這類物質，它們中大多數都是有機物質，在原子的尺度上是無序的，在介觀的尺度上則可能出現某種規則而有序的結構。軟物質在變化過程中內能的變化很微小，熵的變化卻很大，因而其組織結構的變化主要是由熵來驅動，和內能驅動的硬物質不同。有機物質中的小分子和聚合物的電子結構與電子性質現在正受到重視，因此有機發光器件和電子器件正在研制開發中。

二、當今凝聚態物理研究的一些現象及其理論方法

固體物理學的一個重要的理論基石為能帶理論，它是建立在單電子近似的基礎上的。而凝聚態物理學的概念體系則淵源于相變與臨界現象的理論，植根于相互作用的多粒子理論。凝聚態物理學的理論基礎是量子力學，基本上已經完備且成熟。

當前常用的一些理論方法：第一性原理（特指密度泛函理論計算），蒙特-卡洛方法，玻爾茲曼模型，分子動力學模擬，伊辛模型，有效場，平均場等等。

當前被研究的一些現象：光譜，超導，霍爾效應，弱相互作用，電阻（巨磁電阻，龐磁電阻），磁性研究（磁阻，微磁學，鐵磁性，巨磁阻抗效應，相圖），多向異性，子晶格，態密度，能隙，強關聯、激發態，量子通信，冷原子、物理進展等等。

第一性原理方法是根據原子核與電子相互作用及其基本運動的規律，運用量子力學原理從哈密頓量出發，近似處理后進行求解薛定諤方程的方法，它能給出體系的電子結構性質等相關信息，能描述化學鍵的斷裂、重組，以及電子的重排而被很多人多熱衷。

蒙特-卡羅方法也被稱統計模擬方法，是以概率統計理論為基礎的使用隨機數來進行數值計算的方法一類數值計算方法，它是以事件出現的頻率估算隨機事件的概率，并將這個結果作為問題的解。

伊辛模型是描述分子之間有較強相互作用的系統發生相變情況的模型。通常使用有效場理論、平均場理論和蒙特?卡羅方法來研究它。

三、當今凝聚態物理研究的一些成就

凝聚態物理當今在器件方面取得的兩方面主要成就是太陽能電池和納米器件。在材料方面取得的一些成就有：納米材料，電子陶瓷材料，拓撲絕緣材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化鍺薄膜等），復合熱電材料，自旋液體、超導體，超材料，薄膜材料。

上邊所列的這些成就中，拓撲絕緣體的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這有望于制造未來新型電腦芯片等元器件。自旋液體描述物質中的一種特殊自旋排布狀態，材料的作用能支持某些奇異的超導性或將一些像粒子一樣擁有電荷的實體組織起來。石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，而且它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。當今對石墨炔衍生物的研究逐漸成為研究熱點，研究者們積極地設計可能的石墨炔衍生物并預測其物理性質。如研究BN摻雜的石墨炔系列結構的穩定性與電子結構，發現它的性質與硼氮元素摻雜的濃度和位置緊密相關；N摻雜石墨炔可充當氧還原反應的無金屬電催化劑；氟化作用可調節石墨炔帶隙寬度，這使得石墨炔在納米電子設備的使用上使其有靈活性；分別在石墨二炔和α-石墨炔中摻入硅和鍺的結果是碳硅元素以及碳鍺元素之間可以形成穩定的炔鍵結構，并且其帶隙值明顯加寬。總之，設計實現這些新的碳鍺材料，不僅可以豐富碳相關材料的數據庫，而且可以為電子設備、氣體分離薄膜、儲能材料、鋰離子電池電極材料等方面提供可選的對象。

還有，利用粒子的隧道效應可制備隧道結這類夾層結構，諸如半導體隧道二極管、單電子超導隧道結、庫珀對超導隧道結。利用與自旋相關的隧道效應，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲器。半導體量子阱已用來制備快速晶體管和高效激光器。量子點可用以制備微腔激光器和單電子晶體管。利用鐵磁金屬與非磁金屬可制成磁量子阱，呈現巨磁電阻效應，可用作存儲器的讀出磁頭等等。

結論

有人說：“沒有量子力學就沒有手機和電腦，就沒有現今互聯網的普及。”從這句話中可以看出更確鑿的事實：基礎科學一直是科學技術發展的基礎和推手，凝聚態物理在理論上的發展一方面詮釋客觀物質世界存在的現象，一方面又能預測人類將能解決的客觀問題；而它在實驗上的發展則是根據其理論上建立的模型給予驗證并因此揭示客觀事物的實質與規律，且據此來建立并整合理論結果和實驗結果與實用技術之間的聯系，使得這些客觀事物及其規律最終為人類所利用。

參考文獻

第2篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞：量子力學；材料類專業；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0122-02

對于普通高校的材料類本科教學來說，要求學生具有數學、物理、化學等方面的基本理論和基本知識，掌握材料設計、性能優選、工藝優化的原則，以及材料的組成、結構和性能關系。這就需要學生具有材料學科的完整的知識體系，量子力學是半導體、固體物理以及計算材料學、材料測試表征技術等學科的基礎，在材料科學體系中有著非常重要的地位。然而其由于本課程的學習是基于高等數學、大學物理、數學物理方法等前期課程學習的基礎之上的，學生對這些基礎課程的掌握情況參差不齊，而大部分學生對前期課程多有遺忘，課程內容的學習過程中需要理解的知識點很多，所以要學好這門課程需要充分發揮學生的主觀能動性，及時復習前期基礎課程和預習相關知識。由于知識間銜接緊密，需要邏輯推理內容非常多，學生稍有走神或缺課就會跟不上教師的教學進度，從而對后續知識的學習也喪失信心。此外，對于工科大環境下的學生群體來說，學生普遍對實用的專業課程較感興趣，而對基礎理論課程不夠重視，認為學習非常枯燥也沒有大多的用處。種種原因造成了在工科大環境下的理論物理教學特別是量子力學課程的教學困難重重，因此將理論教學與專業特色相結合，探索具有專業特色的量子力學的教學方法具有重要的意義。如何消除學生對本課程的畏懼心理，如何調動學生的學習積極性，讓學生在課堂上有收獲的同時也要自覺利用好課余時間學習是解決本課程教學的關鍵。本文結合材料類專業的綜合情況，經過實踐探索，總結幾點較為實用的教學方法。

一、與專業課程體系相結合，突出課程的重要性

備課之前先熟悉所授課專業的培養方案，了解學生的已修課程、同學期開設的專業課程以及后續的專業課程。材料類專業的量子力學課程一般在第四學期開課，在此之前學生已經修完了高等數學、大學物理、線性代數、數學物理方法等前期課程。同時學生開始接觸一些材料類的專業課程，例如材料科學基礎、高分子物理、物理化學等，在之后的第五以及第六學期將有大量的學科專業課，如材料分析測試技術、計算材料學等。教師在對本專業的課程設置以及知識框架有了整體的了解以后，有針對性地翻閱一下一些核心專業課程的教材，將專業課程當中涉及量子力學基礎的內容篩選出來以備用。在給學生講授第一堂課時既將本課程的重要地位告知學生，哪些課程在后續課程種會涉及到相關知識，哪些領域會用到本課程的知識，以及量子力學對本專業以及相關專業的研究生入學考試以及繼續深造時的必要性。讓學生一開始對本課程的學習有心理上的重視。在具體教學的過程中，注意將量子理論與專業內容相結合，包括已修課程和后續課程。通過多學科的滲透將整個材料學專業的課程內容進行貫穿，凸顯出量子理論的重要性和實用性，讓學生意識到量子力學并不是高高在上毫無用處的理論公式，同時也使得量子力學的教學更加豐富和生動。

二、與前沿科學相結合、活躍課堂氣氛

當下的高校教師除了教學很大一部分時間精力都用于科學研究。平時實驗或看文獻時可以將所涉及的一些前沿科技成果加以搜集，課堂上通過多媒體以圖片、音響等直觀的方式將其進行簡要的介紹。活躍課堂氣氛的同時有可以加深對該理論的理解，激發學生的學習積極性。在給學生講解理論知識的同時注重結合理論的應用領域，結合材料學科的特點以及學校的特色。作者所在的本校是有著交通特色專業背景，本校材料類專業也有水泥混凝土、瀝青混合料等工程材料方面的課程，學生就業也有很大比例在交通相關領域。結合本科的這一特征，教師講課時可以作一些前沿材料在交通領域的最新進展。在講解知識基礎的同時穿插該部分知識的應用方面的展望，展示過程中采用借助多媒體以圖片、音響和板書講解相結合的方式。通過多種途徑讓量子力學這種看似“高大上”的學科也有“接地氣”的一面，不至于全是枯燥的理論和生硬的公式，有利于對學生學習動力的激發。對于自己的科研課題也可以作一些介紹，還可以挑選部分基礎較好的感興趣的本科生參與到課題的研究或者參觀學習，零距離的接觸前沿科學，對調動學生的學習積極性也有一定的幫助。

三、多種教學手段相結合，調動學生的學習積極性

在教學的過程中采用多種教學手段相結合。鑒于量子力學的理論抽象、知識量大、數學推理公式繁多，在教學過程中教師的講授以基本概念的理解、基本物理思想的和基本的物理模型的建立為主，對于需要推理演算的部分可以引導學生利用課余時間自學。首先可以拓展多樣化的考核方式。課程考核的成績以期末考試為主但是學期內平時的表現也是必要的。可以考慮適當增大平時考核的分數比例，便于調動學生充分利用課余的時間。其中平時表現又可以分為多個方面來考核，充分調動學生的自主學習激情。課堂教師講授為主，適時設問作為課外思考作業，作業以書面形式或者學生在下一次課作簡短的展示的方式。才外還可以給學生布置小論文，鼓勵學生多進圖書館，查閱相關文獻書籍寫一兩篇小綜述。在第一堂課即向學生說明考核的方式和比例，在考分的壓力下學生自然會積極準備相關內容。在應對這些平時作業的過程實際上就是學生自主學習的過程中，既鞏固了量課程知識，又鍛煉了學生自主學習的能力和思維。在教學當中采用多媒體和傳統的板書相結合的方式，多媒體信息涵蓋量較大，對一些復雜又必須的推導過程可以采用PPT作快速的展示，而對于一些重要的公式及定理則需要采用板書加以強化，通過教師邊書寫邊口訴講解，學生有足夠的時間消化理解。同時可以采用多媒體多展示一些圖片、動畫等內容，盡量在枯燥的理論講授過程中增添一些有趣的小插曲，例如該理論提出的科學家的肖像及簡介、名言名句，小故事等。在W習原子的波爾理論以及氫原子模型的時候，使用PPT展示基本公式和理論，再輔以教師在黑板上作圖的方式講解。可以將原子內電子的運動類比于在操場跑步以及天體的運動，在做計算近似時甚至可以將近似級類比于上課教室內的座次對個人學習效果的影響、人際關系的親疏對個人情感生活的影響程度等。此外還可以鼓勵學生多接觸一些科普書籍以及最新出版的一些學術專著，例如上帝擲骰子就是很通俗的前沿物理科普書籍。通過多種渠道將量子力學枯燥難懂的教學過程生動化、有趣化。

作為材料類專業核心課程的量子力學一直都是教和學雙方都感到很困難的課程。由于量子力學的理論性較強，學習過程相對枯燥，學科的實用性不是很明顯，學生容易厭學。教師在教學過程中需要不斷的探索適合本專業學生的教學方法。通過與專業課程相結合，與學校特色想結合，采取多種教學手段，結合最新的前沿科學研究，多方面入手使理論知識深入淺出，使教學過程生動有趣、調動學生學習熱情，對提高教學質量有非常有益的幫助。

參考文獻：

第3篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞：固體物理學 教學改革 教學實踐

中圖分類號：G462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固體物理學是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律以及闡明其性能與用途的學科[1]。從學科結構和內容上看，該課程內容基于普通物理學、高等數學、線性代數、量子力學、熱力學統計物理等課程，主要講述晶體結構、晶體結合、晶格振動和能帶理論等方面知識。它既是當今物理學領域中最重要的學科之一，也是許多新學科的基礎。由該學科發展起來的基本概念、基本理論和實驗技術，已向其他相鄰學科領域滲透，并促進其他學科的發展[2]。如：金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理、電介質物理、表面物理、非晶態物理、材料科學等。幾十年來，以固體物理的理論為基礎，在半導體、磁學、激光、超導、納米材料等現代技術研究方面取得了重要突破。隨著科學技術的發展，固體物理課程的教學在新的歷史條件下已面臨前所未有的挑戰，碰到了許多難以回避的新問題、新情況。傳統的固體物理教學內容對固體物理前沿的新成果、新概念介紹得不夠，且傳統的教學方法單一，不利于學生解決問題的能力及創新能力的培養。為了適應精英教育、構建研究型大學人才培養的需要，固體物理學的教學改革十分必要。因此，筆者結合自己在學習和講授固體物理學過程中的感想，針對教學目標、教學內容和教學方法等方面作出如下探索。

1 培養學生自主學習的能力

隨著科學技術的迅速發展，學生既要學習原有的經典知識，又要接受更多的課程和社會信息，如何在有限的時間內實現這兩者的有效結合，是當今各個階段的教育都面臨的一個重要問題。面對知識更新速度的加快，我們的教育目標也應該有所調整，即努力實現由“授之以魚”向“授之以漁”的轉變[3]。尤其是對于大學生，他們已經接受了十多年傳統的學校教育，有了較多的知識積累，大學階段的教育一方面是教給他們以知識，更重要的是培養他們自主學習的能力，使他們掌握研究性學習的方法，以便走向社會后具備自我學習、獲取新知識和開展新工作的能力。明確了這樣的培養目標之后，在教學過程中，就應該有針對性的創造各種條件，讓學生自主參與到學習過程中來。例如，在講授布洛赫波的時候，先向學生強調晶體中電子波函數是按晶格周期調幅的平面波，接著啟發學生考慮自由電子波函數的形式（量子力學已經講述過），經過引導，學生回想起自由電子的波函數是平面波的形式，之后再分析晶體中電子是受到晶格勢場的周期性調制，所以需在平面波的波函數前面加上一個調幅因子，最終形成了布洛赫波函數。經過這樣一個過程，學生可以自主的回顧以前所學的知識，并將其和新內容相聯系，有助于新舊知識的融合和貫通。與此同時，也可以激發學生學習的積極性，培養他們學習和運用知識的能力。

2 教學內容的精選

固體物理內容十分豐富，體系龐大，各部分有各自的特點。其中復雜抽象的概念體系、晶體結構的描述、嚴密的理論推導等要求任課教師具有較好的數學和物理學修養，要熟悉固體物理學發展歷史和前沿研究的新動態、新概念，且能夠對物理圖像進行透徹的講解；要求學生具有扎實的微積分、線性代數、群論等數學知識和量子力學、原子物理學、理論力學和統計物理學等物理知識。同時，固體物理學知識比較零散、概念多、模型多、原理和定律多，這對教師和學生都是一種挑戰。面對如此龐大的知識體系和豐富的內容，在講授過程中如何組織授課思路和精選教學內容，是教師要解決的一個問題。首先，理清固體物理的主線是非常重要的，即明確固體物理是研究固體的結構及其組成粒子之間相互作用與運動規律及闡明其性能與用途的學科，是從微觀的角度來揭示固體的宏觀物理現象.在此基礎上，認真分析教材，同時參考其他經典教材，精選教學內容，重在物理概念和模型，至于公式的推導和方程的求解等環節可適當簡化，留給學生課后自行解決。按照這樣的思路進行下來，即使在有限的課時內，學生對物理概念、物理圖像的認識也會比較清晰，有利于對基礎知識的掌握.

3 重視章節之間的內在聯系

固體物理學雖然涉及內容較多，但是認真分析后，不難發現各章節之間銜接緊密。以胡安的《固體物理學》為例，本科階段的教學內容主要是前四章：第一章主要講晶體的周期性結構，那么這些結構形成的內在機理是什么，就要考慮粒子間的相互作用，這樣就引出了第二章關于晶體結合的問題；同時，由晶體的結合類型和結合能，表明在不同的條件下，原子間會出現某種形式的引力和電子云的斥力，這些相反的作用力決定著平衡時原子間距，再考慮到絕熱近似，實際晶格則在平衡位置附近振動，由此可引出第三章關于晶格動力學和晶體熱學性質的內容；晶格動力學主要是針對原子的水平上的內容，而晶體中還包括電子，那么電子的狀態是怎樣的呢？這就引出了第四章能帶論.由此可見，在教學中，抓住知識體系的主線，突出概念和模型，便于學生識記、理解、掌握知識體系。

4 注入學科前沿知識

固體物理學是一門發展十分迅速的基礎科學，與當今最活躍的凝聚態物理和新材料科學緊密相連，也在其他多個學科領域得以應用，因此面對不斷涌現的新的現象和新的科研成果，固體物理學的前沿動態在教學中應該有所反映[4]，這將有助于提高學生對該課程學習的積極性和明確努力方向，同時也使課堂教學增添活力.例如，在講授晶體的共價鍵結合時，筆者就聯系自己的科研實際，介紹了碳納米管和石墨中碳原子的成鍵形式的差異，說明了二者在物理性質上的區別和聯系，以此為基礎，進一步介紹了低維碳納米材料近年來的研究進展。再如講授能帶理論的時候，筆者向學生介紹了石墨烯的能帶特征，說明了在低能極限下，石墨烯呈現出線性的能量色散關系，使得傳導電子可以看作是無質量的Dirac費米子，這種類似于光子的特性，使其可用于相對論量子力學的研究，同時表明其獨特的載流子特性和優異的電學特性，這些都是近幾年凝聚態物理的研究熱點。所以，把科學前沿知識引入課堂，不僅可以讓學生強烈地感受到科學發展的脈搏和動力，極大的拓展了學生的視野，還可以激發起學生運用基礎學科理論實現科技創新的勇氣和欲望。這與“著重于啟迪學生思維，發展學生智能，開發學生的創造性，努力拓寬學生的知識面，為探索未知世界鋪路架橋”的世界一流大學培養人才模式是相呼應的。

5 教學手段的優化組合

固體物理課程中包括大量的立體圖像和復雜的空間結構，還涉及晶格振動的動態過程，對學生的空間想象能力要求較高。傳統的“粉筆+黑板”的課堂教學手段就有一定的弊端， 因此可以將現代化的教學手段融入進來[5]。例如，使用多媒體課件演示晶體結構、倒格子、能帶、晶格振動等模型，再結合自制教具，實現圖片、動畫和實體模型相結合，使學生建立形象的空間模型概念，更直觀的理解教學內容。所以，多媒體教學技術以其趣味性、形象性，可以增強教學的感染力，為固體物理教學注入了新的活力，從根本上改變了固體物理傳統的教與學的方式，有助于激發學生學習的興趣，培養學生的思維能力和創造力。但是，多媒體課件不完全適合固體物理學教學，應根據具體內容和教學反饋進行取舍。例如，在講授倒點陣、布洛赫定理、聲子態密度等理論性較強的內容時，要配合節奏相對緩慢的板書，使學生理解知識要點，學會推理，從而有效的學習。

6 結語

上述教學改革方案是筆者在自己學習和講授固體物理學的過程中總結出來的，可以概括為“抓主線，選內容，重前沿，講方法”，目前在教學活動中也一直在實踐，獲得了較好的教學效果。但是，固體物理教學改革是一個龐大而又復雜的系統工程，課程改革的進行涉及到諸多方面，需要廣大教育工作者不斷研究和探索，進行多次“實踐―反思―總結”，方可真正跟上當今科學技術日新月異發展的要求，培養出新世紀合格的高素質和創新型人才。

參考文獻

[1] 胡安，章維益.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 梅顯秀.固體物理教學改革的探索與實踐[J].大學物理，2010（29）.

[3] 華中，宋春玲，劉研.固體物理教學改革的探索與實踐[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2004（4）.

第4篇：半導體與量子力學的關系范文

一、凝聚態物理學的起源和發展

1.凝聚態物理學的起源

凝聚態物理學的前身是固體物理學，固體物理學的研究對象是固體，包括它的物理性質、微觀結構、各種內部運動以及彼此之?g的關系。固體物理學的一個重要的理論基石為建立在單電子近似的基礎上的能帶理論，于1928年由布洛赫研究提出，周期結構中波的傳播是能帶理論的核心概念，基本建立了固體物理學的理論范式。

2.凝聚態物理學的發展

凝聚態物理學誕生于19世紀70年代，在19世紀80至90年代之間逐步發展，最終取代固體物理學這個概念。凝聚態物理學的誕生彌補了當時固體物理學研究存在的不足之處。

凝聚態物理學從微觀的角度研究凝聚態物質的物理性質、結構和各種運動以及彼此之間的關系。凝聚態物理學的理論基礎是相互作用多粒子理論，與固體物理學相比，凝聚態物理學的研究除了擴大研究對象范圍，還有一些概念的遷移和發展。

二、凝聚態物理學的理論基礎

凝聚態物理學以固體物理學研究為基礎，L?朗道和P?安德森這兩位科學家對凝聚態物理學的發展具有重要的影響。L?朗道提出了凝聚態物理學的主要的理論范式即對稱性破缺，并引入序參量和元激發，使之普遍化。P?安德森在研究著作中強調了對稱破缺和元激發的重要性，并補充提出了廣義剛度、重正化群等理論。

三、凝聚態物理學的研究內容

凝聚物理學主要研究物質的微觀結構與物理性質的相互關系，研究內容較為廣泛。

1.固體電子論

電子在固體中的行為是固體物理學長期研究的對象，也是凝聚態物理學的主要研究內容，電子在固體中的運動相互作用大小不同，主要包括三個區域：弱關聯區，形成半導體物理學的研究理論基礎；中等關聯區，形成鐵磁學的研究理論基礎；強關聯區，主要涵蓋對象是電子濃度非常低的不良金屬，其研究尚未得出圓滿結論。

2.宏觀量子態

低溫物理學的研究也是凝聚態物理學產生的基礎，金屬和合金中存在超導現象這一成果對凝聚態物理學的發展影響巨大。超導現象是規范對稱性破缺的結果，宏觀量子態的概念、超導微觀理論等的出現填補了超導研究的空白，玻色-愛因斯坦凝聚的實現將極低溫下的稀薄氣體也納入凝聚態物理學的研究范圍，但是仍有一些學科問題需要研究佐證，比如非常規超導體的機制仍未得到確定的解釋。

3.納米結構與介觀物理

納米技術研究的是在0.1～100納米的尺度里電子、原子和分子內的特性和運動規律。納米科技將人類的研究視角轉向微觀世界，納米技術的研究和應用對于人類社會生活具有開創性的意義，現在也是物理學研究的一個熱點方向。

4.軟物質物理學

軟物質是介于液態與固態之間的物質狀態，被稱為復雜液體。軟物質是凝聚態物理學的延伸研究學科，軟物質只要受到極小的外界刺激就會產生明顯反應，從而具有顯著的實用效果。

第5篇：半導體與量子力學的關系范文

隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學手段的利用，有助于學生對固體微觀結構的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統板書相比，利用多媒體呈現并分析固體的微觀結構以及晶體的結構特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關系的表達也更為準確，便于學生的理解。此外，若能結合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結構將能更為直觀地展現在學生眼前。多媒體與三維模型的應用對于學生理解固體的微觀結構、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎概念很有好處。當然，多媒體教學也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導、基礎概念的講解等方面，板書其實更受學生的歡迎。與多媒體教學相比，板書的節奏慢，師生間可以有較多的互動；學生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。

二、教學內容的取舍

由于固體物理學融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學、晶體學等多學科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學時里，不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。因此，實際教學中可以結合本專業的特色，有選擇地取舍部分教學內容。例如，側重固體熱學性質的專業可以考慮以晶格振動等內容為主；而側重微電子的專業則可以考慮以能帶理論、半導體中的電子等內容為主。當然，一些多個領域都涉及到的基礎知識也應是這門課程不可缺少的一部分內容。固體的微觀結構和結合方式是固體物理學的基礎，因此，晶體的結構和晶體的結合等知識點應是這門課程的基礎知識之一。考慮到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯系，但很多時候，可以分別側重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據各專業的實際情況取舍部分教學內容。在許多固體物理學的教材中，例如黃昆等的《固體物理學》教材和閻守勝的《固體物理基礎》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎理論，它是凝聚態物理前言研究的有效手段之一，也是材料設計的一種有效方法。教學過程中，教師可以結合各專業的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎知識。同時，還可以介紹一些最新的相關研究進展，以拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣。

三、模塊化的教學形式

如前所述，固體物理學中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學過程中可以考慮模塊化的教學形式，以子課題的形式將相應內容呈現給學生。可能的模塊如：討論晶體的結構和晶體的結合方式的基礎模塊———晶體的結構與結合；討論晶體中原子實運動的模塊———晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊———能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊———晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數個部分。這樣做首先有利于教學內容的取舍；其次，有利于學生對各知識點的理解、有利于學生梳理清楚各個知識點之間的關系。此外，固體物理學是凝聚態物理前沿研究的基礎之一；其基礎知識、理論推導、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態物理研究的基礎。而模塊化教學，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學內容以問題為導向呈現給學生，這有助于培養學生的學習能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學模式，既是在教授學生知識，也是在開展科研，有助于提高學生對科研的認識、有助于培養學生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學形式還可以結合基于原始問題的教學來開展。

四、基于原始問題的教學

所謂原始問題，可簡單理解為：現實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學實踐引入大學物理的教學中。這應是個值得提倡的建議，畢竟現實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統的習題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學生處理實際問題的第一步便是將問題適當簡化，這也是學生需要學習的一種能力。事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎，也是實際應用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數十年來是我們討論、分析相應問題的基礎。今天，那些被寫進教科書的基礎理論，在當時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。問題的背景：根據經典的熱力學理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關的常數。實驗發現晶體的熱容在高溫下確實接近于常數，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數，其與溫度的三次方成比例關系。問題的提出：理論預言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現象？20世紀初剛剛發展起來的量子力學是否能解釋這個實驗現象？這些問題在愛因斯坦的年代應該都是前言的科研問題。問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當作一個整體，原子—原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數展開，并保留到二階項。問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應。結合量子力學，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復雜，很難直接與實驗結果對比，因此引入進一步的簡化和近似———愛因斯坦模型或德拜模型。這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學研究的方式相接近，既能提高學生對科研的認識、培養學生的科研能力，又能培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力。

五、小結

第6篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質

2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。

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0.5 mm 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11 mm，長5 mm，厚0.104 mm，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，43.7 K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8 K。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。

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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(electron strong correlation system)與軟凝聚態物質(soft condensation matter)。

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(materials of molecular manipulation)。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。

6 結論

本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。

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第7篇：半導體與量子力學的關系范文

一、信息科技與現代通信

信息技術涵蓋信息的采集、變換、存儲、處理、傳送、接收和再現。電子學研究電子的運動、電磁波的傳播和它們之間的相互作用。建立在麥克斯韋電磁理論基礎上的電子學，是當代信息技術最主要的手段。1887年德國物理學家赫茲發現電磁波及1897年英國物理學家湯姆孫發現電子，標志著電子學的開端。在赫茲實驗的基礎上，1895年意大利科學家馬可尼進行了2．5公里的無線電報傳送實驗。1901年跨越大西洋3200公里的無線電報實驗獲得成功，這是遠程通信的一件劃時代的大事。此后，人類陸續發明了無線電廣播、電視等。

第一代電子器件電子管，建立在熱電子發射的基礎上。1904年，英國物理學家弗萊明發明二極管；1906年，美國的德福雷斯特發明三極管。20世紀上半葉的電子設備，如廣播電視的發射接收裝置、雷達、計算機等，全部使用電子管。

1947年肖克利、巴丁、布拉坦發明了晶體管。晶體管使電子設備具有省電、小型化、可靠性高的優點，開辟了電子學的新時代。

物理學最新成果的大量采用，使光通信、移動通信產業以空前的速度和規模發展。僅我國，手機用戶即已近4億。物理學的發展必將使21世紀信息技術發生飛躍。

二、材料科學與新材料

物理學是材料科學的重要基礎。量子力學、凝聚態物理學，特別是固體物理學和能帶理論極大地推動了材料科學的發展。現代物理學的發展，導致了諸如半導體材料、光電材料、超導材料、復合功能材料、納米材料、軟物質材料等大量具有獨特性能的新材料出現，并將不斷地為研制新型材料、改善材料性能提供新的理論和實驗手段。

人工晶體用人工方法生長的單晶體在激光產生、非線性光學、光探測、輻射探測、換能器等方面都有重要應用。我國在這一領域具有一定優勢。

三、物理學手段與現代醫學

物理學手段在現代醫學中得到廣泛應用，它們既用于診斷——x射線透視、B超、計算機斷層成像即CT、磁共振成像即HRI，又用于治療——超聲波粉碎結石、激光手術、伽瑪刀。

四、計量與全球定位系統GPS

計時標準：從觀測天體到使用各種物理方法，人類計時精度不斷提高。

全球定位系統GPS，由24顆均勻分布在6個軌道平面內的衛星組成，衛星上安裝了高精度的原子鐘。衛星高度2萬公里。它是一個全天候的自動定位和導航系統，通過接收GPS衛星發射的時間—頻率信號，判斷和計算接收者的位置。經過廣義相對論修正(時鐘快慢隨引力場強度而變)的GPS精度可在1米以內。現在的GPS系統已可裝備到家用汽車上。

五、物理學與激光技術

1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎。1958年美國科學家肖洛和湯斯發現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發表了關于激光器的經典論文，奠定了激光發展的基礎。1960年，美國人梅曼(T.H.Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年，第一臺可產生大功率激光的器件——二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺X射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學院的研究人員研制出第一臺原子激光器。

六、物理學與國家安全

現代戰爭是高科技的戰爭，物理學在國防現代化中起著核心的作用。核武器是釋放核能的大規模殺傷性武器。1945年美國首先制成原子彈，并投放到日本的廣島和長崎。為了對抗核訛詐，1964年我國成功試爆了第一顆原子彈，1967年成功試爆了第一顆氫彈。研制“兩彈一星”的23位功勛科學家中有13位物理學家。

第8篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞 固體物理 材料物理 電子科學與技術 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.12.060

Combining with the Professional Characteristics to Carry

out the Teaching Reform of Solid State Physics

ZHANG Lamei， SU Yuling

（School of Physics and Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract In this paper， in view of the present situation and problems of the solid state physics teaching， and fully combined with major characteristics of material physics and electronic science and technology， some practice and exploration have been carried out in solid state physics curriculum reform. Through the optimized selection of teaching content， increasing the frontiers of knowledge and history of physics， emphasizing the "paradigm" of solid state physics， combining a variety of teaching methods in the teaching process， encouraging students to participate in the teachers’ research projects， and emphasizing interactive and research study， and so on. By means of the above measures， teaching quality can be improved.

Key words Solid state physics； Material physics； Electronic science and technology； Teaching reform

0 引言

固體物理學，顧名思義，是研究固體結構及其組成粒子之間的相互作用與運動規律、闡明其性能與用途的學科。它為人們按指定性能研制新材料、新器件提供了科學途徑和理論指導，在理論物理和應用物理之間起著紐帶作用。上世紀五十年代末，固體物理學被采納成為我國物理專業的一門基礎課。①當時，三位國內固體物理學前輩，即黃昆先生、謝希德先生和程開甲先生率先在北京大學、復旦大學和南京大學的物理專業開設此課，這是物理專業課程設置上最為顯著的一項改革。隨著時代的發展，目前，固體物理不僅是物理學專業而且是電子學、材料學、光電子、微電子等相關專業的專業必修基礎課。就我校而言，材料物理和電子科學與技術兩個本科專業均開設了固體物理課程。材料物理和電子科技均屬于應用型學科，材料物理專業學習的目的是為了使學生掌握材料的設計、合成、加工和分析等方面的理論、基本實驗方法和技能等，使學生具有材料設計、分析和應用的科學研究和技術開發的基本能力。電子科技專業則要求學生通過掌握光電子器件、物理電子器件、電路與系統、信息技術等方面的理論知識和基本實驗方法，使學生初步具有研究開發新的電子產品和技術的能力。因此，這兩個專業的固體物理課程應該充分結合專業特點，與其他專業有所差別。筆者通過分析我校現有固體物理教學存在的主要問題，結合這兩個專業的培養模式和專業特點，在教學內容、 教學方法等方面進行了一些實踐和探索，以期改善教學效果，提升學生的綜合素質和創新能力。

1 固體物理教學現狀分析

在我校材料物理和電子科技專業的實踐教學過程中，我們發現當前固體物理課程教學中存在的一些現狀及問題。首先，材料物理和電子科技專業學生相對物理專業的學生而言，與物理相關的課程課時較少，物理理論基礎比較薄弱，而固體物理中要用到大量的量子力學和統計物理知識，且數學處理比較復雜，大多數概念和理論都建立在復雜的數學推導過程之上，理論性較強，因此學生普遍感到學習起來比較困難。加之學生往往不知道所學知識在實際問題中如何應用，缺乏學習興趣和動力，這些都嚴重影響了固體物理課的教學效果。其次，隨著社會的進步和科技的發展，各種高新技術不斷涌現，固體物理學科發展日新月異，光子晶體、新型半導體、超材料、超導、非晶態等新領域的研究取得了重大進展，新概念層出不窮，對固體物理教學提出了更高的要求。②如何與時俱進，根據專業特點處理好新舊知識之間的關系，提高學生的綜合素質和創新能力，成為固體物理教學面臨的主要問題。

2 固體物理教學改革措施

針對固體物理課程教學的現狀，我們在這兩個專業的固體物理教學過程中，充分考慮專業特點，通過教學內容和教學方法的一些改革研究和實踐，以期將培養專業素養、科學素養貫穿整個課程的培養教學環節，激發學生的學習主動性，優化認知結構，改善教學效果。

2.1 教學內容的改革

（1）精選教學內容。對于材料物理和電子科技這樣的非物理專業的學生，考慮到他們物理知識和數學基礎相對薄弱，因此，這授課過程中，應該輕物理推導過程，重物理模型和物理意義的講解，避免學生陷入繁瑣的數學推導過程當中，幫助學生抓住主線，掌握固體物理中處理問題的方法。此外，根據學生專業的不同，在講授基礎知識時，需要注意與其他專業課程之間的聯系，一方面避免與已學課程內容的重復，一方面為以后的相關課程打下一定的基礎。比如，對于材料物理專業的學生，在材料科學基礎等課程中已經對晶體的結合和晶體的缺陷這部分內容有所講述，因此，在固體物理課中可以對這部分內容略講。對于電子科技專業，除了固體物理以外，還開設了半導體物理等課程，因此，在半導體一章中，我們只是簡單介紹了半導體的能帶結構和電子分布特點。同時，對于一些重要、抽象、難以理解的概念，比如倒格子和布里淵區等，學生通常感到理解起來比較困難，然而這些內容又往往在不同章節中多次出現，對于這類內容，應從多角度、多方面，配合習題，精講精煉，幫助學生理解其物理意義和應用方法。

（2）將學科前沿和熱點引入教學。固體物理是當前物理學科中發展最快的分支，該學科新成果和新概念不斷涌現，而固體物理學的經典教材大多成書較早，這些新的前沿內容教材中沒有出現。因此，需要針對材料物理和電子科技不同的專業特點，適時地將與專業有關的最新進展和重要應用成果引入課堂教學中，做到基礎知識與前沿知識相互融合，達到優化教學內容的目的。例如在講解晶體結構一章時，可以將一些新型的材料介紹給學生，比如拓撲絕緣體、光子晶體、石墨烯等內容。在講解能帶理論時，可以向學生介紹近年的諾貝爾獎藍色發光二極管，讓學生明白我們所學的知識并不老舊，而是與現代科技緊密聯系的。這樣可以開拓學生的視野，提高學生對該門課程學習的積極性。

（3）增加科學史的介紹。在教學中增加相關科學史的介紹，看似無關緊要，實則效果斐然。因為每一個學科、每一種理論，都不可能在一朝一夕間建立，都有其漫長的發展演變過程，而每一個新理論的提出，都有其歷史動因。因此，在講授某一理論時，通過對歷史背景和發展過程的介紹，可以幫助學生加深對所學理論的理解，明確該理論所要解決的物理問題，培養學生的科研思維方法。比如在講解固體熱容的內容時，先回顧基于經典統計理論的熱容理論，在該理論中，熱容是與溫度和材料性質無關的常數，為了解決這一問題，愛因斯坦提出了基于量子理論的熱容理論，然而在愛因斯坦理論中，假設各諧振子的振動頻率都是一樣的，這種假設過于簡單，因此德拜在愛因斯坦模型的基礎上，進一步提出了德拜模型，給出一個簡單的諧振子頻率的分布規律，更好地揭示了熱容隨溫度的變化規律。通過這樣的講解，學生對熱容理論的理解也就更加深刻了。

（4）注意各章節之間的聯系，強調固體物理學的“范式”。在實際教學過程中，學生往往不清楚各章節之間的聯系，普遍反映固體物理學的知識比較比較零散，概念多、模型多、定律多、原理多，各個章節的知識好像是一個個孤立的個體，缺乏一條將各方面的知識聯系起來的主線。這主要是由于在現在的教學中，對固體物理學的“范式” 講述和強調不夠有關。根據科學史家庫恩的觀點，“范式”是一門學科成為科學的必要條件， 范式的形成是一個學科建立的標志。布里淵最早指出，固體物理學的范式應采用“周期結構中波的傳播”來統一描述。③固體物理是以周期性的晶體為研究對象的，固體內各種粒子的運動，都可看作波在周期結構中的傳播，而這種波的共同特點，就是當波矢位于布里淵區邊界時不能傳播，我們可以在此基礎上統一理解晶體的衍射理論、晶格振動及能帶理論等固體物理的主干內容。范式是一門學科的“綱”，學科的知識體系可據此建立和有機地聯系起來。④

2.2 教學方法改革

（1）采用“黑板 + 多媒體”相結合的方式授課。多媒體作為先進的教學手段，既可提高教學效果，又可以豐富教學內容。但是不能搞“一刀切”，應該根據章節進行選擇。⑤比如我們在對晶體結構進行講解時，借助多媒體手段可以更加形象直觀地將各種類型的晶體結構展現出來，還可以隨意翻轉，讓學生從不同的角度和側面進行觀察，幫助學生建立空間圖像，提高認知效率。然而對于一些數學推導過程復雜的章節，例如晶格振動等，如果單純使用多媒體，學生通常會感到跟不上老師的思路，容易產生疲憊感。這時候如果使用板書，減慢速度，邊推導邊講解，增強師生互動，則教學效果更好。

（2）利用先進計算軟件。固體物理這門課程中的許多概念和理論都建立在繁雜的數學推導之上，學生往往覺得有理無物，不易理解。如果在教學中能夠形象生動直觀地解釋這些物理概念和理論，并聯系它們的實際應用，就可以幫助學生更好地理解所學知識，提高認知效率。Materials Studio 軟件能夠進行不同晶體結構的模型構建，能帶及態密度的計算及圖形化，介電常數的計算，紅外、拉曼光譜計算，費米面計算及可視化等等，不僅功能強大，而且操作簡單、界面友好，因此，適宜于本科生的日常教學實踐。⑥對于不同專業的學生，均可以利用該軟件將課本上的很多結論通過自己計算進行驗證，加深理解。例如，對于材料物理專業的學生，可以讓他們利用計算軟件給出一些常見晶體材料的晶體結構，還可以給出晶體的光譜特性和介電性能等。對于電子科技專業的學生，可以利用軟件模擬常見的直接帶隙和間接帶隙的半導體，并通過摻雜、加壓等手段調控其能帶結構，使學生更直觀地了解晶體結構與性能之間的關系。總之，固體物理學中的很多概念和理論都能通過 Materials Studio 軟件進行演示及計算，給出形象化的解釋。該軟件的使用不但可以幫助學生加深對所學知識的理解，還可以使學生了解現論物理方面的研究方法，提升學生的科研素養。

（3）理論聯系實驗，鼓勵學生參與教師的科研課題。在固體物理的教學中，為了讓學生更深刻地理解所學知識，培養學生靈活應用所學知識解決實際問題的能力，應該安排學生進行固體物理相關實驗或直接參與教師的科研課題。對于材料物理專業的學生，可以安排他們進行材料制備、X射線衍射分析、Raman光譜測量等實驗，還可以讓他們參與碳納米管的性能研究、晶體缺陷對電磁性能的影響等教師的科研課題，讓學生從材料的制備到結構、性能表征等方面受到較為綜合的訓練。對于電子科技專業的學生，除了讓他們了解常見晶體結構的表征手段以外，還可以進行半導體特性測定、太陽能電池特性測試、探測器響應特性測試等實驗，幫助他們了解不同半導體材料性能的差別，以及這些差別與其微觀晶體結構的聯系。除此此外，也可以參與教師的科研課題，比如太陽能電池的結構及性能研究、石墨烯超級電容器的研究等。通過參與實驗和教師科研活動，可以提高學生運用所學知識解決實際問題的能力，提升其綜合素質和創新能力。

（4）加強互動式教學模式，鼓勵研究性學習。學生是學習的主體，在教學活動中，應該使學生充分參與到教學活動中來，加強教師和學生之間的互動。具體實施過程中，可以采取啟發、討論式教學，通過教師對教學過程的精心設計，巧妙設置問題，組織專題討論等形式，充分調動學生的學習積極性。例如，在討論課前提前布置一些討論題目，“聲子的本質”，“光子和電子的異同”，“倒格子和波矢空間在固體物理學中的作用”等，由于學生提前進行了準備，討論氛圍熱烈，甚至發生了爭論，常言道“理不辯不明”，經過討論原本難懂的概念就變得清楚明了了。除了課堂上的互動，課余時間利用網絡等其他手段的互動方式也非常重要。學生可以通過固體物理精品課程網站的討論區和E-Learning網絡學習空間，就課堂上沒有弄明白的問題和老師、同學進行討論，通過這種形式極大地拓展了學習的時間和空間。研究性學習也是近年來提出的一種有利于提高學生學習主動性和科學素養的學習手段。我們的具體實施方法為讓學生撰寫小論文，小論文的題目可以圍繞一些前沿研究熱點，還可以選擇自己感興趣的領域，就某一具體問題，在深入調研的基礎上，寫出它的應用及自己的一些觀點。總之，我們努力將互動式、啟發式、討論式和研究性學習等教學模式有效的貫穿、融合于整個固體物理的教學當中，在這樣多樣化的實際教學實踐中， 營造寬松、積極的教學氛圍。

3 結語

針對我校固體物理課程教學的現狀和存在的問題，本文根據筆者多年授課經驗，結合學生的專業特點，從教學內容和教學方法上進行了一些改革，主要包括精選教學內容，將一些前沿熱點知識和物理學史加入教學內容當中，并加強固體物理學“范式”的講授。在教學過程中結合多種教學方式，理論聯系實驗，強調互動式和研究性學習等，通過這些措施使得教學效果得到明顯改善。然而固體物理教學改革是一項復雜龐大的工程，隨著時代的發展也會出現新的課題，仍需我們做出更多的研究和探索。

基金項目：本文系河南省高等學校重點科研項目（No.15A140043）、鄭州輕工業學院青年教師教學改革與研究項目、鄭州輕工業學院校博士基金的研究成果

注釋

① 黃昆，韓汝琦.固體物理學.北京：高等教育出版社，1997.

② 鐘佑潔，楊尊先.電子學科的固體物理教學改革初探.物理通報，2013（8）：17.

③ 馮端，金國鈞.凝聚態物理新論.上海：上海科學技術出版社，1992.

④ 鄭文琛.固體物理教學現代化的一些實踐與思考.大學物理，1998.17（10）：34.

第9篇：半導體與量子力學的關系范文

關鍵詞： 國家特色專業； 信息顯示與光電技術； 規劃與實踐

中圖分類號： G642.0文獻標識碼： A文章編號： 1009-055X（2013）02-0118-05

目前， 我國高等教育是按專業來培養人才的， 專業是大學學術組織存在的本質特征。高校專業建設是高校教學基本建設的核心， 建設一流大學的關鍵， 在于建立一批高水平的、 有特色的專業。

“特色”就意味著“與眾不同”， 專業特色指的是專業的特別或出色之處。大學的生命力在于專業水平的高低， 而專業的生命力則在于專業特色是否鮮明。

華南理工大學是立足于華南面向全國建設的一所以工科為主的國家重點大學。在國家大力發展新型顯示產業、 半導體照明產業、 太陽能電池產業等戰略新興產業的背景下， 主動適應國內外高新技術產業發展、 滿足社會經濟建設的急需， 我校結合自身光電學科的優勢， 于2007年向教育部申請， 開始建設“信息顯示與光電技術”本科專業。經過近5年的規劃和建設， 該專業教師隊伍建設、 實驗室建設、 專業教材建設、 學生課外社會實踐、 課外科研活動等方面， 取得了一些長足的進步。于2011年獲批成為廣東省“戰略性新興產業特色專業”、 國家“戰略性新興產業特色專業”。目前， 該專業已經成為一個師資隊伍充滿活力、 專業特色鮮明、 廣受學生歡迎的國家級特色專業。

一、 信息顯示與光電技術人才需求現狀

信息顯示與光電產業是一項新興的高科技產業， 有“朝陽產業”之稱， 有著巨大的潛力和廣闊發展前景。根據世界知名調研公司Standford Research的報道， 信息顯示與光電技術在全球已形成了年產值愈1000多億美元的龐大產業群[1]。我國是一個信息顯示與光電技術產業大國， 近年來相關產業和新技術發展迅速， 并已將其列為國家支柱產業和新的經濟增長點。廣東省作為我國信息顯示與光電技術產業最大的省份， 更是明確在“廣東省戰略性新興產業發展十二五規劃”中將“高端新型電子信息、 新能源汽車、 半導體照明”確立為三大率先突破的產業。在這三大產業中， “高端新型電子信息、 半導體照明”這兩個產業是與信息顯示與光電技術密切相關的。

在高端新型電子信息產業中， 其重點之一是發展新型顯示技術產業。新型的液晶平板顯示產業， 近年來已成為全球彩電、 手機、 電腦等顯示器產業最為關注的產業經濟領域。全球主要面板廠商普遍看好液晶電視市場的巨大商機， 并將此作為大尺寸TFT-LCD產業的下一個爆炸性增長契機。另外， 作為下一代顯示技術AM-OLED顯示也開始受到人們的關注。廣東省作為全國最大的彩電生產基地， 擁有一批諸如創維、 康佳、 TCL等知名電視生產廠商， 其電視產量約占到中國電視總產量的60%， 在信息顯示技術領域具有深厚的技術及產業基礎。目前已建成及在建的大型新型顯示器件項目超過十個， 其中包括深圳華星光電的8.5代液晶面板生產線、 廣東中顯科技有限公司的OLED研發和產業化項目、 彩虹集團的OLED生產項目等等。

半導體照明由于具有節能、 環保、 壽命長等優點， 受到了全世界的關注。我國面對世界照明產業的重大轉型和LED的興起， 2003年底緊急啟動“半導體（LED）照明產業化技術開發重大項目”， 并從2009年開始通過“十城萬盞”等示范工程， 使得我國LED照明產業發展迅速。其中， 廣東省在半導體照明產業的發展更是引人注目， 2011年廣東省LED產業總產值突破1500億元， 連續三年實現翻番增長。企業3000多家， 從業人員55萬人， 帶動就業220萬人， 產值和規模繼續位居全國首位。

在目前信息顯示與光電技術產業背景下， 必然引發企業對專業技術人才的高度需求。遺憾的是， 在相關技術領域， 國內企業中掌握核心技術的本地化人才很少， 國內企業的核心技術部門大多被外籍工程師控制， 國內相關技術人才的培養體系不足以支撐國內信息顯示與光電技術產業的人才需求， 這成為阻礙國內信息顯示與光電技術產業發展的重要因素。為了給我國尤其是廣東省的信息顯示與光電技術產業培養更多的專業技術人才， 我校于2007年成立了“信息顯示與光電技術”專業， 是廣東省第一個針對信息顯示與光電技術產業的本科專業。

二、 信息顯示與光電技術專業的專業背景與特色

華南理工大學“信息顯示與光電技術”專業， 是依托材料學院發光材料與器件國家重點實驗室建設的國家戰略新興產業特色專業。發光材料與器件國家重點實驗室聚集了一批高水平的科研人員， 包括中國科學院院士以及諾貝爾獎金獲得者， 在新型發光材料的設計與合成、 稀土離子發光、 發光薄膜制備及結構調控、 發光器件物理機制等方面開展了大量原始創新的工作， 取得了國際領先水平的研究成果， 是國際知名的光電領域專業研究機構。

專業只有辦出特色， 才能有牢固的立足之地和廣闊的發展空間。為此， 我們根據依托單位的科研優勢凝練和培育專業特色， 提出了以“材料與器件為基礎， 突出信息顯示、 半導體照明和太陽能電池三大應用技術”為特色建設“信息顯示與光電技術”專業。雄厚的師資力量、 一流的科研設備資源， 為建設特色專業奠定了堅實的基礎； 有鮮明科研特色的本科畢業生， 又為科研工作輸送優質的研究生源。專業建設與科研工作的互動效應十分明顯。

三、 課程體系建設

有深厚基礎知識的學生， 未來將具有深遠的發展潛力； 有寬泛學科知識的學生， 未來將具有強大的適應能力； 培養具有更強大適應能力、 更深遠發展潛力的學生， 是重點高校的辦學宗旨[2-3]。本專業按照厚基礎、 寬口徑的指導思想來設計課程體系， 培養基礎扎實能力突出的新型工科人才。

信息顯示與光電技術專業， 是材料學、 光學、 電學、 信息工程等多學科交叉的專業。在專業教學計劃方面， 設置了基礎課程、 專業基礎課程、 專業課程等三個層次的課程， 各層次的課程又開設了必修課和選修課兩類課程。在專業選修課設置上， 根據專業特色， 按照跟蹤學科前沿、 掌握先進技術的原則設置一定學時的選修課， 增加教學計劃的柔性， 拓寬學生的知識面。對不同專業方向感興趣的學生， 所學習的必修課相同， 差異僅體現在選修課上。這樣的課程設置， 體現了強化學科基礎、 淡化專業方向， 可提高畢業學生的綜合適應能力。

在基礎課程方面， 開設了大學物理、 大學化學、 量子力學、 固體物理等理論性較強的基礎課程， 夯實學科基礎， 使畢業學生將來具備自行擴展光電知識和技能的能力。

在專業基礎課程方面， 除了開設一些必修基礎課程外， 還開設了材料科學導論、 有機電子學基礎、 光度學、 發光學與發光材料、 激光技術、 光電子器件與工藝、 半導體材料與器件、 平板顯示技術和現代薄膜技術等專業基礎課程。

在專業課程方面， 主要圍繞平板顯示、 半導體照明和太陽能電池三個方向， 開設液晶材料與顯示技術、 有機半導體材料、 TFT技術及其應用、 半導體照明技術、 LED光學設計技術、 LED驅動設計技術、 LED散熱設計技術、 太陽能電池技術、 顯示器件驅動技術等課程。堅持基礎性和先進性相結合的原則， 將經典與現代有機結合， 及時將科研成果引入課程教學； 堅持分析與綜合并重、 經典與現代并重、 軟件實現與硬件實現并重的原則， 合理分配學時和內容。

新材料是新器件的基礎， 新器件是新技術的基礎， 我們開設的基礎性、 專業基礎性以及專業性等三個層次的課程， 都是圍繞著材料、 器件和技術等三個方面來安排的。優化專業課程體系模塊， 厚基礎寬口徑設置教學計劃， 將為培養基礎扎實、 能力突出的新型工科人才奠定堅實的基礎和保障。

四、 師資隊伍建設

師資人才隊伍是學科建設的基礎。建設一支年齡、 職稱、 學歷、 學科結構合理， 學術水平高， 發展潛力大的師資隊伍， 是“信息顯示與光電技術”國家特色專業建設成敗的關鍵。經過近五年的發展， 本專業已形成了以著名高分子光電材料專家曹鏞院士、 彭俊彪教授等為核心的高水平教學團隊。

（一）堅持“育人為本”的教學理念

育人為本， 以學生為主體， 全面推進素質教育， 以提高教學質量為核心； 注重因材施教， 以培養創新人才為重點， 努力提高學生的創新精神和創新能力； 強化實踐教學， 進一步加強實踐教學環節， 推進教育教學與生產勞動和社會實踐的緊密結合， 切實提高學生的實踐能力； 加快教學過程中信息技術的應用， 推進教學方法改革， 促進高等教育優質教學資源的建設與共享； 把教師作為辦學的主體， 建立有效的團隊合作機制， 加強青年教師培養， 激勵教師積極投身教學工作[4]。

在師資隊伍建設中， 提出“人事相宜、 和諧發展”的隊伍建設理念， 從師資培養、 崗位設置、 激勵措施等方面進行改革， 建立有效的隊伍建設機制， 體現教師成長和事業發展的和諧促進。

（二）圍繞核心課程， 建設多學科交叉的專業教學團隊

在教學團隊建設過程中， 學校各級管理部門積極為教學團隊提供多種服務、 指導和支持， 確立教學團隊的學術主導地位， 將教學團隊的管理權力進一步下放， 擴大團隊的管理自， 積極整合教師資源， 為教學團隊的組建和發展構建堅實的平臺。在團隊內部管理方面， 實行專業總負責人、 專業方向負責人、 團隊成員三級管理機制。專業總負責人提出總體建設目標， 分解到專業方向負責人和團隊成員， 做到五個有： 有明確的建設目標， 有具體的推進措施， 有合理的工作授權， 有全程的檢查督促， 有良好的思想溝通。

圍繞專業核心課程， 依據專業方向， 建設教學團隊。實施崗位責任制， 分為信息顯示技術、 半導體照明技術、 太陽能電池技術三個專業方向。每個專業方向有帶頭人， 負責相關課程群（包括教學人員的安排、 課堂教學、 課程建設、 教材建設、 實驗體系建設等）， 并依托相關的科研平臺組建教學小組。注重理論教學與實踐教學相結合， 科學研究與教學研究相結合， 課程建設與學科建設相結合。

（三）建設“傳、 幫、 帶”的工作培訓機制， 加快青年教師的成長

實行“傳、 幫、 帶”的培訓體系。對新入職教師進行正規的培訓， 參加學校組織的教師崗前培訓班， 取得國家頒發的教師資格證才能加入教學團隊； 注重中青年教師能力的提升， 定期參加教育部高校師資培訓交流中心等國內權威培訓機構組織的培訓學習； 加強和企事業單位的合作， 鼓勵教師參加企事業單位中組織的工程技術類培訓， 及時更新對光電產業的了解； 由專人整理優秀老教師的寶貴經驗， 作為培訓教材； 加強雙語教學課程的建設， 由英語表達流利、 具有國外學習和進修的教師擔任雙語課程的教學， 教學成績突出的教師還可選派出國研修以拓展視野。

五、 教學條件建設

（一）重視專業教材編寫， 建設一套切合新專業技術實際需求的教材體系

教材是體現教學內容和教學方法的載體， 是教學工作的基本要素， 是保障和提高教學質量的重要基礎。戰略性新興產業， 由于屬于高新技術產業， 沒有或者很少有傳統的、 經典的教材和講義可供借鑒和使用。為了提高課堂教學質量， 我們在積極引進兄弟院校優秀教材和講義的基礎上， 成立專業主干教材編寫組， 著手編寫切合新專業實際、 切合我校課程體系實際的“信息顯示與光電技術”系列教材。包括《有機半導體電子學》、 《TFT技術及應用》、 《半導體照明技術》、 《平板顯示器驅動技術》、 《太陽能電池技術》等。同時， 還采取一些激勵措施， 鼓勵專業教師根據專業特點， 緊密結合科研實際， 編寫高水平的選修課程教材， 加快新辦專業教材體系建設和完善。在努力保持教學內容的基礎性、 先進性和前沿性前提下， 在教材內容的取舍和教材編寫風格上下功夫， 力爭將學生從教材繁復的公式推導迷魂陣中解放出來。形成文字教材、 電子教材、 輔助教材和參考資料相配套的系列教學用書和教學軟件， 適應多樣化的教學需要。

（二）精選專業實驗內容， 構建一個培養學生綜合能力的實驗教學新體系

“信息顯示與光電技術”專業是具有“新材料、 新器件、 新技術”鮮明應用特色的工科專業。專業實驗教學是其本科培養計劃極其重要的組成部分。我們的專業實驗內容主要圍繞這三個方面來開設。

為了體現“新材料”特色， 我們開設了有機發光材料合成、 液晶材料綜合性能測試、 有機材料熱性能測試、 薄膜材料形貌觀測與分析、 有機發光材料分子量測量等相關的專業實驗課程。

為了體現“新器件”特色， 我們開設了發光器件阻抗測試、 發光器件EL測試、 發光器件PL測試、 發光器件吸收光譜測試、 發光器件加速老化壽命測試、 發光器件載流子遷移率測試、 發光器件顯色指數測試、 發光器件發光效率測試等專業實驗課程。

為了體現“新技術”特色， 我們開設了太陽能電池綜合性能測試、 平板顯示器驅動電路編程實驗、 發光二極管光電綜合性能測試、 OLED顯示屏綜合性能測試、 OLED顯示屏激光修復實驗、 激光器功率測試、 LED配光設計實驗等專業實驗課程。

我們遵循“實踐性、 開放性、 自主性和創新性”（四性）和“教學與科研、 理論與實踐、 經典與現代、 虛擬與實訓”（四結合）來精心選擇專業實驗內容， 通過基本實驗、 綜合性實驗、 設計性實驗、 科學小實踐等來組成四級實驗教學體系。在實驗教學中， 充分應用各種最新的硬件和仿真軟件， 能硬則硬， 能軟則軟， 或軟硬結合。另外， 我們還注意淡化理論教學與實驗教學的界限， 將理論教學與實驗教學有機結合， 實驗教學作為理論教學的延伸。

通過近五年的努力， 我們初步構建起了比較完善的實驗教學體系。充分發揮了專業實驗在專業課程教學中的作用， 激發了學生的學習興趣， 豐富了學生的感性認識， 加深了學生對基本概念、 定理和定律的理解， 降低了學習過程中的難度， 培養了學生的觀察能力、 思維能力、 動手操作能力、 分析歸納能力以及創新能力， 有力地保障了專業培養計劃的順利實施。

（三）寓教于研， 充分發揮國家級科研平臺對教學的支撐和促進作用

“信息顯示與光電技術”國家特色專業， 所依托的高分子光電材料與器件研究所， 擁有“發光材料與器件國家重點實驗室”、 “發光材料與器件國家引智基地”、 “特種功能材料教育部重點實驗室”等三個國家級科研平臺和多個省級、 校級科研平臺。本學科擁有雄厚的科研實力， 為了將其轉化為優質的本科教學資源， 我們遵循“寓教于研， 教學科研相長、 學科專業并進、 教師學生共贏”的理念， 采取多項舉措來建設國家特色新專業。

鼓勵教師結合自己的科研課題， 提煉可供大學生參與的研究題目， 積極指導學生參與華南理工大學SRP（大學生研究計劃）、 華南理工大學攀登計劃以及省級、 國家級大學生創新實驗計劃等項目[5]， 使特色專業的學生在四年的大學學習期間， 人人有機會參與學生科研項目， 使學生的動手能力和科研創新意識得到提高。

對有繼續讀研深造的優秀本科生， 在大學三年級開始實行導師制。多個國家級的科研平臺， 提供了本科生大量從事輔助研究的機會。教師是學生創新實踐的領路人， 學生是教師科學研究的好幫手。在教師眼里學生不再是累贅和負擔， 在學生眼里教師永遠嚴謹慈祥。本科生導師制作為一種積極的教育輔助機制， 讓本科生直接參與到導師的科研項目中， 在實踐中進行鍛煉， 幫助學生從以學習知識為主的本科階段， 順利過渡到以知識創新為主的研究生階段， 可進一步提高學生的科研創新能力。

鼓勵教師結合自己的科研課題， 精選適合本科生實際能力的題目， 指導本科生的畢業設計。這種基于教師科研實際的題目， 使學生的畢業設計不會流于形式走過場， 有助于培養學生運用知識的創新能力， 培養學生嚴謹的科學精神和務實的工作作風。

（四）以產學研基地為依托， 建設完善的實踐教學體系

華南理工大學是華南地區最具影響力的國家重點工科大學， 建校60年來， 為國家特別是華南地區培養了大量的工程型技術人才， 素有工程師搖籃之美譽。華南地區是我國最大的電子信息產業基地、 最大的光電產業基地。據權威部門統計， 廣東省的信息顯示產業、 半導體照明產業占全國百分之五十以上的市場份額。巨大的產業市場、 廣泛的產業界校友人脈資源， 為“信息顯示與光電技術”專業的“產業化”辦學理念提供了得天獨厚的條件。

我們聘請校外企業家擔任專業兼職教授， 多人次不定期來校進行專題產業技術講座， 拉近學生與知名企業家的距離， 近距離感受企業家的人格魅力和榜樣的力量。帶領大一新生在開學之初期， 到知名企業參觀學習， 進行專業認知教育， 認識、 感知新專業， 明確大學期間的學習目標。組織學生每個寒暑假到企業去實習， 走進車間走進生產線， 融入產業工人角色， 培養學生的動手能力和產業意識。

四年來， 我們跟TCL集團、 創維集團、 康佳集團等電子信息龍頭企業， 以及大族激光、 國星光電、 鴻利光電、 木林森、 雷曼光電、 勤上光電等光電產業上市公司， 建立了各種形式的產學研合作關系， 為培養研究應用型人才做了大量有益的嘗試。

（五）以國際友好學校為紐帶， 培養具有國際化視野的新一代大學生

本專業依托單位是2006年教育部與國家外國專家局聯合， 在全國首次設立的“111計劃”50個引智基地之一， 聘請了包括美國加州大學教授、 2000年諾貝爾化學獎獲得者A.J.Heeger教授在內的十多位海外著名學者為客座教授， 每年來學校進行學術講座、 研究與交流， 讓普通的本科大學生近距離感受到國際學術大師的魅力。

華南理工大學地處珠江三角洲， 處于改革開放的前沿陣地， 與海外與港臺有悠久的、 廣泛的歷史淵源。本專業借助于地緣優勢以及本單位的海外學術交流優勢， 與澳大利亞新南威爾士大學、 美國加州大學、 香港科技大學、 新加坡國立大學等多所海外高校建立了科研合作以及學生互換計劃。基于科研合作基礎上的海外交流， 使本專業與海外友好學校的關系更密切， 有助于互相借鑒建設經驗， 積極發揮專業品牌的輻射作用， 有利于培養具有國際化視野的開放性的新一代大學生。

專業建設旨在培養滿足社會需要、 受社會歡迎的高質量的人才， 專業的特色尤為重要。我們根據戰略新興產業對人才需求的形勢， 結合本單位的學科優勢， 凝練“信息顯示與光電技術”專業的特色為“以材料與器件為基礎， 突出信息顯示、 半導體照明與太陽能電池三大技術”的專業特色， 培養“科研化、 國際化、 產業化”的工科人才。

專業建設是一項長期的系統工程， 為了探索國家特色新專業的建設經驗， 我們還將繼續加強與國內外高校與企業界的聯系， 不斷優化專業建設理念， 努力使專業建設工作再上一個新臺階。

參考文獻：

[1]童林夙. 2012年后的平板顯示世界[J].現代顯示， 2007， （77）： 6-16.

[2]牛大偉. 應用型本科人才培養模式的創新與實踐[J]. 實驗科學與技術， 2012， （10）： 153-154.

[3]林健. 高校工程人才培養的定位研究[J]. 高等工程教育研究， 2009， （5）： 11-17.