量子力学在材料科学中的应用

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划量子力学在材料科学中的应用量子力学在材料科学中的应用中文摘要：量子力学作为材料科学的基础,在材料领域中有广泛而且重要的作用,诸如半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等.尤其对半导体材料、磁性材料等有着决定性的影响,直接导致了这些材料领域的产生.关键词:半导体材料,磁性材料,液晶,新型功能材料1.引言:量子力学是材料科学的基础,研究材料科学要从量子力学的观点来研究,也就是说其它相关学科都是从基础的量子力学以平均操作、极限操作等推出来的.例如,如果理解量子的能量观点,那么热力学的各个量可以通过平均操作推导出来;从波动系数可以通过平均操作推导出古典力学的运动方程式;而电磁学与量子力学通过场的量子化联系起来.因此量子力学在材料领域中有广泛而且重要的作用,诸如半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等.2.量子力学在材料科学中的应用:半导体材料自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类.实际上,半导体的技术是基于由量子力学派生出来的能带论.在一般情况下,半导体电导率随温度的升高而增大.反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象,这些可统称为半导体材料的半导体性质.构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体,正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性.半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和共价键.半导体材料低维半导体材料低维半导体材料,即纳米材料.电子在块体材料里,在三个维度的方向上都可以自由运动.但当材料的特征尺寸在一个维度上比电子的平均自由程相比更小的时候,电子在这个方向上的运动会受到限制，电子的能量不再是连续的,而是量子化的,我们称这种材料为超晶格、量子阱材料.量子线材料就是电子只能沿着量子线方向自由运动,另外两个方向上受到限制;量子点材料是指在材料三个维度上的尺寸都要比电子的平均自由程小,电子在三个方向上都不能自由运动,能量在三个方向上都是量子化的.由于上述的原因,电子的态密度函数也发生了变化,块体材料是抛物线,电子在这上面可以自由运动;如果是量子点材料,它的态密度函数就像是单个的分子、原子那样,完全是孤立的函数分布,基于这个特点,可制造功能强大的量子器件.纳米材料分类:天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米半导体材料、纳米催化材料等.磁性材料实验表明,任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同.根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类:顺磁性物质,抗磁性物质，铁磁性物质，亚磁性物质，反磁性物质.根据分子电流假说,物质在磁场中应该表现出大体相似的特性,但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大.这反映了分子电流假说的局限性.实际上,各种物质的微观结构是有差异的,这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因.我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,把铁磁性物质称为强磁性物质.通常所说的磁性材料是指强磁性物质.磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料.磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去磁的物质叫硬磁性材料.一般来讲软磁性材料剩磁较小,硬磁性材料剩磁较大.磁性材料具有磁有序的强磁性物质,广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质,磁性是物质的一种基本属性.物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质.铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质.磁性材料按性质分为金属和非金属两类,前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料,按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料.功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料,旋磁材料以及磁性薄膜材料等,反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等.随着全球气候变暖及能源危机加剧,磁性材料在节能电视、液晶电视、3G、风电和新能源汽车等新兴领域的应用将有快速增长.液晶液晶是一种高分子材料,因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上.人们熟悉的物质状态(又称相）为气、液、固,较为生疏的是电浆和液晶.液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质.液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物.同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值.液晶显示器新型功能材料新型功能材料是用合成、强化、磁化等技术生产出的理想的材料,既节约能源,又能提高效率.比如超导体在通讯、计算机和控制系统上的应用,高分子分离膜使海水淡化,光子与电子结合成光电子材料等.3.结论：量子力学作为材料科学的基础,在许多领域都有着广泛而且重要的作用,尤其是半导体材料、磁性材料、液晶等领域.可以说没有量子力学就没有这些材料领域,更不会有社会的巨大进步.加大量子力学在材料科学方面的研究,必定会带给人们更多的惊喜和切实的舒适体验.量子力学在材料科学中的地位及学习方法新技术革命离不开新材料的发展。无论是新型的结构材料还是功能材料，它们的性质和性能都取决于其组成结构和结合方式，并且是在原子以上的层次作为研究对象。深刻地研究材料的本质，应从揭示微观粒子运动的量子力学理论中去寻求答案，材料的各种性质几乎都可以通过量子力学的平均操作、极限操作及一些学方法推导出来。材料学的迅速发展，特别是以量子力学的观点来研究材料科学，使得材料科学和材料工程得以大步向前。为了科学地认识材料，以原子以上的层次的运动作为对象，所以要研究量子力学、热力学、古典力学和电磁学的关系。根据文某些文献的观点，研究材料科学是要从量子力学的观点来研究，应首先学习材料科学的基础量子力学概论。可知，量子力学处于最基本的地位，也就是说，其它相关学科都是从基础的量子力学以平均操作、极限操作等推出来的。例如，如果理解量子的能量观点，那么热力学的各个量可以通过平均操作推导出来；从波动系数可以通过平均操作推导出古典力学的运动方程式，而当普朗克常数h0即为古典力学；而电磁学与量子力学通过场的量子化联系起来。因此，为了科学地认识材料性质，将以量子力学作为最基本的学科。在量子力学的学习过程中,我们必须深入理解量子力学中的几个基本原理。量子力学中描述粒子的状态不再用经典物理中的位置和动量来描述,而是由波函数来描述,如何理解这个波函数的统计解释是量子力学学习贯穿始终的重点和难点。粒子的运动也不再服从牛顿运动方程,波函数是遵守薛定谔方程的。大学物理本科的理论物理专业课量子力学抽象、深奥、难学也难教，对于非物理专业学生学习量子力学，更增加了难度。作为四大力学之一的量子力学从概念到解决问题的方法跟经典物理有根本性的不同，在中学阶段少见到甚至没见到，学生预习时觉得如看“天书”。我觉得老师讲授量子力学过程中可以通过以下措施以求解决上述矛盾，使学生在掌握基本知识的同时，提高思维能力、扩展视野和提高科学素质，以求抛砖引玉。一、从学生实际出发，紧扣大纲，合理安排教学过程的三阶段考虑到学生的实际情况和需要，我们的量子力学教学大纲着重量子力学概念、规律和物理思想的展现：对中学中含有的与量子力学有关的内容在层次上进行全方位拓宽、复盖和加深，确保材料、应用化学专业教学及科研对近代物理知识的需要和要求，对科学前沿热点和高新技术领域的成果和观点(如超导、纳米技术)旨在广泛地、定性或半定量地了解，教学内容要与现代物理发展和21世纪教育发展态势(如研究性学习)相适应。第一阶段是学生课前预习阶段。学生为主，教师可以给学生教学指导意见，主要包括该章节需掌握的重点难点等知识点内容，还增补一定的与经典力学联系紧密的例题、思考题、练习题，为第二阶段中课堂教学打下基础。这样能充分发挥学生学习的主动性，而且可以与经典力学对比学习。第二阶段是课堂教学阶段。这一阶段老师为主，在第一阶段的基础上，结合例题、思考题、练习题，要把量子力学的知识结构、应用结构和方法讲授给学生，使他们对该章节内容有一个总体的认识，并且着重讲授重点、难点、疑点。为第三阶段中独立完成该章的作业和下一章预习的思考题打下基础。第三阶段是复习巩固阶段。要求每学完一章学生独立完成该章作业及补充题，老师通过批改作业及时与学生交流，再根据学生的实际水平适当辅导答疑。在量子力学只是为了完成从经典理论到量子理论思维模式的转变，只是死记硬背概念和公式是不够的，必须通过自己动手完成相当数量的习题才能学好这门课程。二、关于量子力学的基本框架一般一本量子力学的教科书包括了三个基本部分：第一部分是关于粒子的波粒二象性。这部分主要分析人类是如何认识到微观粒子具有波粒二象性，从而让初学者弄清楚微观粒子为什么有不同于宏观物体的运动规律。第二部分是关于量子力学的基本原理。这是全书的核心内容，学习这一部分内容要注意把握原理的表述形式及原理的内容两方面。原理的内容包括有：关于微观状态的原理，关于力学量的原理，关于运动方程的原理，以及全同性原理。原理的表述形式是指上述原理可以采用不同的表象和绘景来描述。主要弄清什么是表象以及为什么会有不同表象等问题。第三部分是关于运用基本原理解决的基本物理实际问题及其方法，一般地说量子力学解决的有两类问题，即粒子在有限空间的运动和在无限空间的运动，前者是束缚态问题，主要是定态问题；后者是散射问题。以上三部分内容是有内在联系的，粒子的波粒二象性是事实依据，量子力学的基本原理是核心，如何学会运用基本原理解决基本物理实际问题是关键。如果能对这三部分有融会贯通的理解，并能用精练的话准确描述出来，那么可以说对量子力学整体框架已有把握。三、本着“少"而“精"的原则组织教学，精心备课，提高教学艺术(一)充分利用量子力学发展史给我们的启示，学史以通今对于非物理专业的理工科大学生，当我们在学习量子力学的基本原理和应用时，往往习惯于用经典物理的概念和图像来理解。特别是，量子力学仍然在发展之中，且它与力学、电磁学甚至相对论的建立不同，量子力学的建立所依靠的是一大批精英科学家的共同努力。尽管其中有十多位获得了诺贝尔物理学奖，但没有一个人或者一个学派是“一贯正确”的。为了对量子理论有一个较准确的总体评价，有必要从原始史料出发，对量子力学的建立和发展进行实事求是的分析，特别是对量子理论的一批创始人早期的概念发展有一个准确而明白的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的。量子力学是公认的大学课程中涉及诺贝尔奖事件最多的课程之一。引导学生学习诺贝尔奖背后的许多创新事例，让学生领会诺贝尔奖获得者在处理这些科学问题时的思想和方法，就相当于学生与这些圣贤们的直接对话，其培养创新型人才的功效是不可低估的。(二)充分应用类比方法讲述量子力学中抽象的概念和物理图象经典力学是量子力学的极限情况，尽可能找到“经典对应”，与之比较，有助于正确理解量子力学物理图像。从光电效应、康普顿散射和光子的引力红移(或紫移)说明光的粒子性，从光的单缝(双缝)衍射(干涉)和x射线在晶体面上的衍射说明光的波动性，学生易于掌握光的波粒二象性；由统一性原理理解微观粒子和光子一样也具有波粒二象性；再以类比光的行为，来理解微观粒子的行为。例如，类比于光子的行为，从描述光子(电磁场)的波函数E的可迭加性。同时讲清量子力学与经典力学在观念、概念和方法上的不同和联系。例如，量