半导体与量子力学的关系精选(九篇)

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第1篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词：凝聚态物理；关联区；量子态；理论方法

中图分类号：O469 文献标识码：A

凝聚态物理学是当今物理学中最大也是最重要的分支学科之一，它是从微观角度出发，研究凝聚态物质的物理性质、微观结构以及它们之间的关系，因此建立起既深刻又普遍的理论体系，是当前物理学中最重要、最丰富和最活跃的学科，在许多学科领域中的重大成就已在当今高新科学技术领域中起了关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。凝聚态物理一方面与粒子物理学在概念上的发展相互渗透，对一些最基本的问题给出启示；另一方面为新型材料的研发和制备提供理论上和实验上的支持，与工科的技术学科衔接构成科学上最有实用性的拓新领域。那么，当今凝聚态物理主要研究哪些分支内容？使用什么样的理论方法？这些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚态物理当今主要研究的一些分支内容

凝聚态指的是由大量粒子组成且粒子间有很强相互作用的系统。固态和液态是最常见的凝聚态，低温下的超流态、超导态、玻色-爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁态、反铁磁态等，也都是凝聚态。凝聚态物理是属于偏应用的交叉学科，研究方向和分支很多，基本任务是阐明微观结构与物理性质的关系。传统的凝聚态物理主要研究半导体、磁学、超导体等，现今凝聚态物理学研究的理论内容十分广泛，以下是其中较活跃的几个分支：

1.固体电子论中的关联区

研究固体中的电子行为，是凝聚态物理的前身固体物理学的核心问题。按电子间相互作用的大小，固体中电子的行为分成3个区域，它们分别是弱关联区、中等关联区和强关联区。弱关联区的研究基于电子受晶格上离子散射的能带理论，应用于半导体和简单金属，构成了半导体物理学的理论基础；中等关联区的研究包括一般金属和强磁性物质，是构成铁磁学的物理基础；强关联区则涉及电子浓度很低的不良金属，诸如莫脱绝缘体、近藤效应、巨磁电阻效应等，它们的物理性质问题尚未得到很好地解决。

现今对固体电子论的研究比较注重的是强关联系统。

2.宏观量子态

用量子力学描述宏观体系的状态称为宏观量子态，如超导中电子的库珀对。超导现象是电阻在临界转变温度Tc以下突然降为零，磁通全部被斥，成为完全抗磁体，超流现象是当液氦（4He）的温度降到2.17K时，由正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”。宏观量子态具有典型的量子力学性质，如势垒隧道穿越和位相相干等。当前量子力学研究的重要课题是退相干现象和耗散现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是介于宏观与微观之间的一种体系，处于介观的物体的尺寸可以说是宏观的，因而具有宏观体系的特点；但是由于其中电子运动的相干性，会出现一系列新的与量子力学相位相联系的干涉现象，这又与微观体系相似，故称“介观”。介观物理学所研究的物质尺度和纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一领域的研究常被称为“介观物理和纳米科技”。

为获取更优异的物理性能，凝聚态物理界从20世纪中期开始注重将材料按特定的结构尺度组织成复合体，若结构尺度在1nm～100nm范围内，即为纳米结构，它在基础研究中发挥的重要的作用是：在两维电子气中发现了整数量子霍尔效应、分数量子霍耳效应和维格纳晶格，在一维导体中验证了卢廷格液体的理论，在一些人工的纳米结构中发现了介观量子输运现象。在未来的一段时期内，纳米电子学和自旋电子学将成为固体电子学和光子学的发展主流。

4.软物质物理学

1991年被提出的软物质也被称为复杂液体，它是介于固体与液体之间的物相，一般由大分子或基团组成，诸如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质诸如DNA、细胞、体液、蛋白质等都属于这类物质，它们中大多数都是有机物质，在原子的尺度上是无序的，在介观的尺度上则可能出现某种规则而有序的结构。软物质在变化过程中内能的变化很微小，熵的变化却很大，因而其组织结构的变化主要是由熵来驱动，和内能驱动的硬物质不同。有机物质中的小分子和聚合物的电子结构与电子性质现在正受到重视，因此有机发光器件和电子器件正在研制开发中。

二、当今凝聚态物理研究的一些现象及其理论方法

固体物理学的一个重要的理论基石为能带理论，它是建立在单电子近似的基础上的。而凝聚态物理学的概念体系则渊源于相变与临界现象的理论，植根于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理学的理论基础是量子力学，基本上已经完备且成熟。

当前常用的一些理论方法：第一性原理（特指密度泛函理论计算），蒙特-卡洛方法，玻尔兹曼模型，分子动力学模拟，伊辛模型，有效场，平均场等等。

当前被研究的一些现象：光谱，超导，霍尔效应，弱相互作用，电阻（巨磁电阻，庞磁电阻），磁性研究（磁阻，微磁学，铁磁性，巨磁阻抗效应，相图），多向异性，子晶格，态密度，能隙，强关联、激发态，量子通信，冷原子、物理进展等等。

第一性原理方法是根据原子核与电子相互作用及其基本运动的规律，运用量子力学原理从哈密顿量出发，近似处理后进行求解薛定谔方程的方法，它能给出体系的电子结构性质等相关信息，能描述化学键的断裂、重组，以及电子的重排而被很多人多热衷。

蒙特-卡罗方法也被称统计模拟方法，是以概率统计理论为基础的使用随机数来进行数值计算的方法一类数值计算方法，它是以事件出现的频率估算随机事件的概率，并将这个结果作为问题的解。

伊辛模型是描述分子之间有较强相互作用的系统发生相变情况的模型。通常使用有效场理论、平均场理论和蒙特・卡罗方法来研究它。

三、当今凝聚态物理研究的一些成就

凝聚态物理当今在器件方面取得的两方面主要成就是太阳能电池和纳米器件。在材料方面取得的一些成就有：纳米材料，电子陶瓷材料，拓扑绝缘材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化锗薄膜等），复合热电材料，自旋液体、超导体，超材料，薄膜材料。

上边所列的这些成就中，拓扑绝缘体的边界或表面总是存在导电的边缘态，这有望于制造未来新型电脑芯片等元器件。自旋液体描述物质中的一种特殊自旋排布状态，材料的作用能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，而且它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。当今对石墨炔衍生物的研究逐渐成为研究热点，研究者们积极地设计可能的石墨炔衍生物并预测其物理性质。如研究BN掺杂的石墨炔系列结构的稳定性与电子结构，发现它的性质与硼氮元素掺杂的浓度和位置紧密相关；N掺杂石墨炔可充当氧还原反应的无金属电催化剂；氟化作用可调节石墨炔带隙宽度，这使得石墨炔在纳米电子设备的使用上使其有灵活性；分别在石墨二炔和α-石墨炔中掺入硅和锗的结果是碳硅元素以及碳锗元素之间可以形成稳定的炔键结构，并且其带隙值明显加宽。总之，设计实现这些新的碳锗材料，不仅可以丰富碳相关材料的数据库，而且可以为电子设备、气体分离薄膜、储能材料、锂离子电池电极材料等方面提供可选的对象。

还有，利用粒子的隧道效应可制备隧道结这类夹层结构，诸如半导体隧道二极管、单电子超导隧道结、库珀对超导隧道结。利用与自旋相关的隧道效应，则已制出具有隧道磁电阻的磁存储器。半导体量子阱已用来制备快速晶体管和高效激光器。量子点可用以制备微腔激光器和单电子晶体管。利用铁磁金属与非磁金属可制成磁量子阱，呈现巨磁电阻效应，可用作存储器的读出磁头等等。

结论

有人说：“没有量子力学就没有手机和电脑，就没有现今互联网的普及。”从这句话中可以看出更确凿的事实：基础科学一直是科学技术发展的基础和推手，凝聚态物理在理论上的发展一方面诠释客观物质世界存在的现象，一方面又能预测人类将能解决的客观问题；而它在实验上的发展则是根据其理论上建立的模型给予验证并因此揭示客观事物的实质与规律，且据此来建立并整合理论结果和实验结果与实用技术之间的联系，使得这些客观事物及其规律最终为人类所利用。

参考文献

第2篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词：量子力学；材料类专业；教学探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）08-0122-02

对于普通高校的材料类本科教学来说，要求学生具有数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识，掌握材料设计、性能优选、工艺优化的原则，以及材料的组成、结构和性能关系。这就需要学生具有材料学科的完整的知识体系，量子力学是半导体、固体物理以及计算材料学、材料测试表征技术等学科的基础，在材料科学体系中有着非常重要的地位。然而其由于本课程的学习是基于高等数学、大学物理、数学物理方法等前期课程学习的基础之上的，学生对这些基础课程的掌握情况参差不齐，而大部分学生对前期课程多有遗忘，课程内容的学习过程中需要理解的知识点很多，所以要学好这门课程需要充分发挥学生的主观能动性，及时复习前期基础课程和预习相关知识。由于知识间衔接紧密，需要逻辑推理内容非常多，学生稍有走神或缺课就会跟不上教师的教学进度，从而对后续知识的学习也丧失信心。此外，对于工科大环境下的学生群体来说，学生普遍对实用的专业课程较感兴趣，而对基础理论课程不够重视，认为学习非常枯燥也没有大多的用处。种种原因造成了在工科大环境下的理论物理教学特别是量子力学课程的教学困难重重，因此将理论教学与专业特色相结合，探索具有专业特色的量子力学的教学方法具有重要的意义。如何消除学生对本课程的畏惧心理，如何调动学生的学习积极性，让学生在课堂上有收获的同时也要自觉利用好课余时间学习是解决本课程教学的关键。本文结合材料类专业的综合情况，经过实践探索，总结几点较为实用的教学方法。

一、与专业课程体系相结合，突出课程的重要性

备课之前先熟悉所授课专业的培养方案，了解学生的已修课程、同学期开设的专业课程以及后续的专业课程。材料类专业的量子力学课程一般在第四学期开课，在此之前学生已经修完了高等数学、大学物理、线性代数、数学物理方法等前期课程。同时学生开始接触一些材料类的专业课程，例如材料科学基础、高分子物理、物理化学等，在之后的第五以及第六学期将有大量的学科专业课，如材料分析测试技术、计算材料学等。教师在对本专业的课程设置以及知识框架有了整体的了解以后，有针对性地翻阅一下一些核心专业课程的教材，将专业课程当中涉及量子力学基础的内容筛选出来以备用。在给学生讲授第一堂课时既将本课程的重要地位告知学生，哪些课程在后续课程种会涉及到相关知识，哪些领域会用到本课程的知识，以及量子力学对本专业以及相关专业的研究生入学考试以及继续深造时的必要性。让学生一开始对本课程的学习有心理上的重视。在具体教学的过程中，注意将量子理论与专业内容相结合，包括已修课程和后续课程。通过多学科的渗透将整个材料学专业的课程内容进行贯穿，凸显出量子理论的重要性和实用性，让学生意识到量子力学并不是高高在上毫无用处的理论公式，同时也使得量子力学的教学更加丰富和生动。

二、与前沿科学相结合、活跃课堂气氛

当下的高校教师除了教学很大一部分时间精力都用于科学研究。平时实验或看文献时可以将所涉及的一些前沿科技成果加以搜集，课堂上通过多媒体以图片、音响等直观的方式将其进行简要的介绍。活跃课堂气氛的同时有可以加深对该理论的理解，激发学生的学习积极性。在给学生讲解理论知识的同时注重结合理论的应用领域，结合材料学科的特点以及学校的特色。作者所在的本校是有着交通特色专业背景，本校材料类专业也有水泥混凝土、沥青混合料等工程材料方面的课程，学生就业也有很大比例在交通相关领域。结合本科的这一特征，教师讲课时可以作一些前沿材料在交通领域的最新进展。在讲解知识基础的同时穿插该部分知识的应用方面的展望，展示过程中采用借助多媒体以图片、音响和板书讲解相结合的方式。通过多种途径让量子力学这种看似“高大上”的学科也有“接地气”的一面，不至于全是枯燥的理论和生硬的公式，有利于对学生学习动力的激发。对于自己的科研课题也可以作一些介绍，还可以挑选部分基础较好的感兴趣的本科生参与到课题的研究或者参观学习，零距离的接触前沿科学，对调动学生的学习积极性也有一定的帮助。

三、多种教学手段相结合，调动学生的学习积极性

在教学的过程中采用多种教学手段相结合。鉴于量子力学的理论抽象、知识量大、数学推理公式繁多，在教学过程中教师的讲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为主，对于需要推理演算的部分可以引导学生利用课余时间自学。首先可以拓展多样化的考核方式。课程考核的成绩以期末考试为主但是学期内平时的表现也是必要的。可以考虑适当增大平时考核的分数比例，便于调动学生充分利用课余的时间。其中平时表现又可以分为多个方面来考核，充分调动学生的自主学习激情。课堂教师讲授为主，适时设问作为课外思考作业，作业以书面形式或者学生在下一次课作简短的展示的方式。才外还可以给学生布置小论文，鼓励学生多进图书馆，查阅相关文献书籍写一两篇小综述。在第一堂课即向学生说明考核的方式和比例，在考分的压力下学生自然会积极准备相关内容。在应对这些平时作业的过程实际上就是学生自主学习的过程中，既巩固了量课程知识，又锻炼了学生自主学习的能力和思维。在教学当中采用多媒体和传统的板书相结合的方式，多媒体信息涵盖量较大，对一些复杂又必须的推导过程可以采用PPT作快速的展示，而对于一些重要的公式及定理则需要采用板书加以强化，通过教师边书写边口诉讲解，学生有足够的时间消化理解。同时可以采用多媒体多展示一些图片、动画等内容，尽量在枯燥的理论讲授过程中增添一些有趣的小插曲，例如该理论提出的科学家的肖像及简介、名言名句，小故事等。在W习原子的波尔理论以及氢原子模型的时候，使用PPT展示基本公式和理论，再辅以教师在黑板上作图的方式讲解。可以将原子内电子的运动类比于在操场跑步以及天体的运动，在做计算近似时甚至可以将近似级类比于上课教室内的座次对个人学习效果的影响、人际关系的亲疏对个人情感生活的影响程度等。此外还可以鼓励学生多接触一些科普书籍以及最新出版的一些学术专著，例如上帝掷骰子就是很通俗的前沿物理科普书籍。通过多种渠道将量子力学枯燥难懂的教学过程生动化、有趣化。

作为材料类专业核心课程的量子力学一直都是教和学双方都感到很困难的课程。由于量子力学的理论性较强，学习过程相对枯燥，学科的实用性不是很明显，学生容易厌学。教师在教学过程中需要不断的探索适合本专业学生的教学方法。通过与专业课程相结合，与学校特色想结合，采取多种教学手段，结合最新的前沿科学研究，多方面入手使理论知识深入浅出，使教学过程生动有趣、调动学生学习热情，对提高教学质量有非常有益的帮助。

参考文献：

第3篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词：固体物理学 教学改革 教学实践

中图分类号：G462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0143-02

固体物理学是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律以及阐明其性能与用途的学科[1]。从学科结构和内容上看，该课程内容基于普通物理学、高等数学、线性代数、量子力学、热力学统计物理等课程，主要讲述晶体结构、晶体结合、晶格振动和能带理论等方面知识。它既是当今物理学领域中最重要的学科之一，也是许多新学科的基础。由该学科发展起来的基本概念、基本理论和实验技术，已向其他相邻学科领域渗透，并促进其他学科的发展[2]。如：金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶态物理、材料科学等。几十年来，以固体物理的理论为基础，在半导体、磁学、激光、超导、纳米材料等现代技术研究方面取得了重要突破。随着科学技术的发展，固体物理课程的教学在新的历史条件下已面临前所未有的挑战，碰到了许多难以回避的新问题、新情况。传统的固体物理教学内容对固体物理前沿的新成果、新概念介绍得不够，且传统的教学方法单一，不利于学生解决问题的能力及创新能力的培养。为了适应精英教育、构建研究型大学人才培养的需要，固体物理学的教学改革十分必要。因此，笔者结合自己在学习和讲授固体物理学过程中的感想，针对教学目标、教学内容和教学方法等方面作出如下探索。

1 培养学生自主学习的能力

随着科学技术的迅速发展，学生既要学习原有的经典知识，又要接受更多的课程和社会信息，如何在有限的时间内实现这两者的有效结合，是当今各个阶段的教育都面临的一个重要问题。面对知识更新速度的加快，我们的教育目标也应该有所调整，即努力实现由“授之以鱼”向“授之以渔”的转变[3]。尤其是对于大学生，他们已经接受了十多年传统的学校教育，有了较多的知识积累，大学阶段的教育一方面是教给他们以知识，更重要的是培养他们自主学习的能力，使他们掌握研究性学习的方法，以便走向社会后具备自我学习、获取新知识和开展新工作的能力。明确了这样的培养目标之后，在教学过程中，就应该有针对性的创造各种条件，让学生自主参与到学习过程中来。例如，在讲授布洛赫波的时候，先向学生强调晶体中电子波函数是按晶格周期调幅的平面波，接着启发学生考虑自由电子波函数的形式（量子力学已经讲述过），经过引导，学生回想起自由电子的波函数是平面波的形式，之后再分析晶体中电子是受到晶格势场的周期性调制，所以需在平面波的波函数前面加上一个调幅因子，最终形成了布洛赫波函数。经过这样一个过程，学生可以自主的回顾以前所学的知识，并将其和新内容相联系，有助于新旧知识的融合和贯通。与此同时，也可以激发学生学习的积极性，培养他们学习和运用知识的能力。

2 教学内容的精选

固体物理内容十分丰富，体系庞大，各部分有各自的特点。其中复杂抽象的概念体系、晶体结构的描述、严密的理论推导等要求任课教师具有较好的数学和物理学修养，要熟悉固体物理学发展历史和前沿研究的新动态、新概念，且能够对物理图像进行透彻的讲解；要求学生具有扎实的微积分、线性代数、群论等数学知识和量子力学、原子物理学、理论力学和统计物理学等物理知识。同时，固体物理学知识比较零散、概念多、模型多、原理和定律多，这对教师和学生都是一种挑战。面对如此庞大的知识体系和丰富的内容，在讲授过程中如何组织授课思路和精选教学内容，是教师要解决的一个问题。首先，理清固体物理的主线是非常重要的，即明确固体物理是研究固体的结构及其组成粒子之间相互作用与运动规律及阐明其性能与用途的学科，是从微观的角度来揭示固体的宏观物理现象.在此基础上，认真分析教材，同时参考其他经典教材，精选教学内容，重在物理概念和模型，至于公式的推导和方程的求解等环节可适当简化，留给学生课后自行解决。按照这样的思路进行下来，即使在有限的课时内，学生对物理概念、物理图像的认识也会比较清晰，有利于对基础知识的掌握.

3 重视章节之间的内在联系

固体物理学虽然涉及内容较多，但是认真分析后，不难发现各章节之间衔接紧密。以胡安的《固体物理学》为例，本科阶段的教学内容主要是前四章：第一章主要讲晶体的周期性结构，那么这些结构形成的内在机理是什么，就要考虑粒子间的相互作用，这样就引出了第二章关于晶体结合的问题；同时，由晶体的结合类型和结合能，表明在不同的条件下，原子间会出现某种形式的引力和电子云的斥力，这些相反的作用力决定着平衡时原子间距，再考虑到绝热近似，实际晶格则在平衡位置附近振动，由此可引出第三章关于晶格动力学和晶体热学性质的内容；晶格动力学主要是针对原子的水平上的内容，而晶体中还包括电子，那么电子的状态是怎样的呢？这就引出了第四章能带论.由此可见，在教学中，抓住知识体系的主线，突出概念和模型，便于学生识记、理解、掌握知识体系。

4 注入学科前沿知识

固体物理学是一门发展十分迅速的基础科学，与当今最活跃的凝聚态物理和新材料科学紧密相连，也在其他多个学科领域得以应用，因此面对不断涌现的新的现象和新的科研成果，固体物理学的前沿动态在教学中应该有所反映[4]，这将有助于提高学生对该课程学习的积极性和明确努力方向，同时也使课堂教学增添活力.例如，在讲授晶体的共价键结合时，笔者就联系自己的科研实际，介绍了碳纳米管和石墨中碳原子的成键形式的差异，说明了二者在物理性质上的区别和联系，以此为基础，进一步介绍了低维碳纳米材料近年来的研究进展。再如讲授能带理论的时候，笔者向学生介绍了石墨烯的能带特征，说明了在低能极限下，石墨烯呈现出线性的能量色散关系，使得传导电子可以看作是无质量的Dirac费米子，这种类似于光子的特性，使其可用于相对论量子力学的研究，同时表明其独特的载流子特性和优异的电学特性，这些都是近几年凝聚态物理的研究热点。所以，把科学前沿知识引入课堂，不仅可以让学生强烈地感受到科学发展的脉搏和动力，极大的拓展了学生的视野，还可以激发起学生运用基础学科理论实现科技创新的勇气和欲望。这与“着重于启迪学生思维，发展学生智能，开发学生的创造性，努力拓宽学生的知识面，为探索未知世界铺路架桥”的世界一流大学培养人才模式是相呼应的。

5 教学手段的优化组合

固体物理课程中包括大量的立体图像和复杂的空间结构，还涉及晶格振动的动态过程，对学生的空间想象能力要求较高。传统的“粉笔+黑板”的课堂教学手段就有一定的弊端， 因此可以将现代化的教学手段融入进来[5]。例如，使用多媒体课件演示晶体结构、倒格子、能带、晶格振动等模型，再结合自制教具，实现图片、动画和实体模型相结合，使学生建立形象的空间模型概念，更直观的理解教学内容。所以，多媒体教学技术以其趣味性、形象性，可以增强教学的感染力，为固体物理教学注入了新的活力，从根本上改变了固体物理传统的教与学的方式，有助于激发学生学习的兴趣，培养学生的思维能力和创造力。但是，多媒体课件不完全适合固体物理学教学，应根据具体内容和教学反馈进行取舍。例如，在讲授倒点阵、布洛赫定理、声子态密度等理论性较强的内容时，要配合节奏相对缓慢的板书，使学生理解知识要点，学会推理，从而有效的学习。

6 结语

上述教学改革方案是笔者在自己学习和讲授固体物理学的过程中总结出来的，可以概括为“抓主线，选内容，重前沿，讲方法”，目前在教学活动中也一直在实践，获得了较好的教学效果。但是，固体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程，课程改革的进行涉及到诸多方面，需要广大教育工作者不断研究和探索，进行多次“实践―反思―总结”，方可真正跟上当今科学技术日新月异发展的要求，培养出新世纪合格的高素质和创新型人才。

参考文献

[1] 胡安，章维益.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理，2010（29）.

[3] 华中，宋春玲，刘研.固体物理教学改革的探索与实践[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004（4）.

第4篇：半导体与量子力学的关系范文

一、凝聚态物理学的起源和发展

1.凝聚态物理学的起源

凝聚态物理学的前身是固体物理学，固体物理学的研究对象是固体，包括它的物理性质、微观结构、各种内部运动以及彼此之?g的关系。固体物理学的一个重要的理论基石为建立在单电子近似的基础上的能带理论，于1928年由布洛赫研究提出，周期结构中波的传播是能带理论的核心概念，基本建立了固体物理学的理论范式。

2.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学诞生于19世纪70年代，在19世纪80至90年代之间逐步发展，最终取代固体物理学这个概念。凝聚态物理学的诞生弥补了当时固体物理学研究存在的不足之处。

凝聚态物理学从微观的角度研究凝聚态物质的物理性质、结构和各种运动以及彼此之间的关系。凝聚态物理学的理论基础是相互作用多粒子理论，与固体物理学相比，凝聚态物理学的研究除了扩大研究对象范围，还有一些概念的迁移和发展。

二、凝聚态物理学的理论基础

凝聚态物理学以固体物理学研究为基础，L?朗道和P?安德森这两位科学家对凝聚态物理学的发展具有重要的影响。L?朗道提出了凝聚态物理学的主要的理论范式即对称性破缺，并引入序参量和元激发，使之普遍化。P?安德森在研究著作中强调了对称破缺和元激发的重要性，并补充提出了广义刚度、重正化群等理论。

三、凝聚态物理学的研究内容

凝聚物理学主要研究物质的微观结构与物理性质的相互关系，研究内容较为广泛。

1.固体电子论

电子在固体中的行为是固体物理学长期研究的对象，也是凝聚态物理学的主要研究内容，电子在固体中的运动相互作用大小不同，主要包括三个区域：弱关联区，形成半导体物理学的研究理论基础；中等关联区，形成铁磁学的研究理论基础；强关联区，主要涵盖对象是电子浓度非常低的不良金属，其研究尚未得出圆满结论。

2.宏观量子态

低温物理学的研究也是凝聚态物理学产生的基础，金属和合金中存在超导现象这一成果对凝聚态物理学的发展影响巨大。超导现象是规范对称性破缺的结果，宏观量子态的概念、超导微观理论等的出现填补了超导研究的空白，玻色-爱因斯坦凝聚的实现将极低温下的稀薄气体也纳入凝聚态物理学的研究范围，但是仍有一些学科问题需要研究佐证，比如非常规超导体的机制仍未得到确定的解释。

3.纳米结构与介观物理

纳米技术研究的是在0.1～100纳米的尺度里电子、原子和分子内的特性和运动规律。纳米科技将人类的研究视角转向微观世界，纳米技术的研究和应用对于人类社会生活具有开创性的意义，现在也是物理学研究的一个热点方向。

4.软物质物理学

软物质是介于液态与固态之间的物质状态，被称为复杂液体。软物质是凝聚态物理学的延伸研究学科，软物质只要受到极小的外界刺激就会产生明显反应，从而具有显著的实用效果。

第5篇：半导体与量子力学的关系范文

随着计算机的普及和利用，多媒体教室普遍存在，并被广泛使用。多媒体教学手段的利用，有助于学生对固体微观结构的理解。例如，可以通过视频或PowerPoint文件，可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比，利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征，对教师而言，更加省时、省力；几何关系的表达也更为准确，便于学生的理解。此外，若能结合三维的原子实物模型，那么，固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。当然，多媒体教学也存在着一定的局限性。例如，在公式的推导、基础概念的讲解等方面，板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比，板书的节奏慢，师生间可以有较多的互动；学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐，学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。

二、教学内容的取舍

由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识，其知识面广、量大，在有限的学时里，不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此，实际教学中可以结合本专业的特色，有选择地取舍部分教学内容。例如，侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主；而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然，一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础，因此，晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成，晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论；而电子的运动主要在能带理论等部分讨论，具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系，但很多时候，可以分别侧重讨论。此外，实际晶体也并非理想晶体；实际晶体除了有边界之外，也常含有缺陷。但在许多情况下，晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论，并得到与实际较为符合的理论结果。因此，晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立，或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。在许多固体物理学的教材中，例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材，密度泛函理论并没有被提到。事实上，密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论，它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一，也是材料设计的一种有效方法。教学过程中，教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时，还可以介绍一些最新的相关研究进展，以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。

三、模块化的教学形式

如前所述，固体物理学中的许多知识点间相对独立；基于这门课程的特征，教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式，以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如：讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块———晶体的结构与结合；讨论晶体中原子实运动的模块———晶格振动；讨论晶体中电子运动的模块———能带理论；讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块———晶体的缺陷等；其中，能带理论部分还可分为：近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍；其次，有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。此外，固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一；其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等，都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学，以课题研究的形式提出问题、解决问题，将教学内容以问题为导向呈现给学生，这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且，课题研究的教学模式，既是在教授学生知识，也是在开展科研，有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。

四、基于原始问题的教学

所谓原始问题，可简单理解为：现实生活中实际存在的、未被抽象加工或简化的问题。于克明教授、邢教授等人详细探讨了原始物理问题的诸多方面；此外，周武雷教授等人还讨论了原始物理问题含义的界定等相关问题，并呼吁将基于原始物理问题的教学实践引入大学物理的教学中。这应是个值得提倡的建议，毕竟现实生活中遇到的具体问题都是原始问题。与传统的习题不同，原始问题未被抽象、加工或简化。学生处理实际问题的第一步便是将问题适当简化，这也是学生需要学习的一种能力。事实上，合理的模型简化是各种理论的基础，也是实际应用或科研必不可少的一种能力。例如，讨论晶格热容的爱因斯坦模型和德拜模型，尽管模型简单，但它们数十年来是我们讨论、分析相应问题的基础。今天，那些被写进教科书的基础理论，在当时、在理论刚被提出时，都是为了原始问题的解决。下面以晶体热容为例，稍加详述。问题的背景：根据经典的热力学理论，晶体的定体摩尔热容是个与温度无关的常数。实验发现晶体的热容在高温下确实接近于常数，但是晶体的热容在低温下并不是个常数，其与温度的三次方成比例关系。问题的提出：理论预言与实验观测为何不相符？如何解释实验现象？20世纪初刚刚发展起来的量子力学是否能解释这个实验现象？这些问题在爱因斯坦的年代应该都是前言的科研问题。问题的简化：（1）不考虑边界、缺陷、杂质等的影响，将实际晶体抽象为理想晶体；（2）基于绝热近似，不考虑电子的具体空间分布，将原子当作一个整体，原子—原子间存在相互作用；（3）基于近邻近似，只考虑近邻原子间的相互作用；（4）基于简谐近似，将原子间的相互作用势在原子的平衡位置作泰勒级数展开，并保留到二阶项。问题的解决：基于上面的模型简化，写出描述原子运动的牛顿第二定律，并求解方程组，这些方程组与相互独立的简谐振子的运动方程组相对应。结合量子力学，得到体系的能量本征值；写出晶格振动总能的表达式，继而给出由晶格振动贡献的晶格热容的表达式。由于晶格热容的表达式复杂，很难直接与实验结果对比，因此引入进一步的简化和近似———爱因斯坦模型或德拜模型。这种提出问题、分析问题、解决问题的方式与做前言科学研究的方式相接近，既能提高学生对科研的认识、培养学生的科研能力，又能培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。

五、小结

第6篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质

2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。

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0.5 mm 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11 mm，长5 mm，厚0.104 mm，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，43.7 K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8 K。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。

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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(electron strong correlation system)与软凝聚态物质(soft condensation matter)。

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(materials of molecular manipulation)。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。

6 结论

本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。

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第7篇：半导体与量子力学的关系范文

一、信息科技与现代通信

信息技术涵盖信息的采集、变换、存储、处理、传送、接收和再现。电子学研究电子的运动、电磁波的传播和它们之间的相互作用。建立在麦克斯韦电磁理论基础上的电子学，是当代信息技术最主要的手段。1887年德国物理学家赫兹发现电磁波及1897年英国物理学家汤姆孙发现电子，标志着电子学的开端。在赫兹实验的基础上，1895年意大利科学家马可尼进行了2．5公里的无线电报传送实验。1901年跨越大西洋3200公里的无线电报实验获得成功，这是远程通信的一件划时代的大事。此后，人类陆续发明了无线电广播、电视等。

第一代电子器件电子管，建立在热电子发射的基础上。1904年，英国物理学家弗莱明发明二极管；1906年，美国的德福雷斯特发明三极管。20世纪上半叶的电子设备，如广播电视的发射接收装置、雷达、计算机等，全部使用电子管。

1947年肖克利、巴丁、布拉坦发明了晶体管。晶体管使电子设备具有省电、小型化、可靠性高的优点，开辟了电子学的新时代。

物理学最新成果的大量采用，使光通信、移动通信产业以空前的速度和规模发展。仅我国，手机用户即已近4亿。物理学的发展必将使21世纪信息技术发生飞跃。

二、材料科学与新材料

物理学是材料科学的重要基础。量子力学、凝聚态物理学，特别是固体物理学和能带理论极大地推动了材料科学的发展。现代物理学的发展，导致了诸如半导体材料、光电材料、超导材料、复合功能材料、纳米材料、软物质材料等大量具有独特性能的新材料出现，并将不断地为研制新型材料、改善材料性能提供新的理论和实验手段。

人工晶体用人工方法生长的单晶体在激光产生、非线性光学、光探测、辐射探测、换能器等方面都有重要应用。我国在这一领域具有一定优势。

三、物理学手段与现代医学

物理学手段在现代医学中得到广泛应用，它们既用于诊断——x射线透视、B超、计算机断层成像即CT、磁共振成像即HRI，又用于治疗——超声波粉碎结石、激光手术、伽玛刀。

四、计量与全球定位系统GPS

计时标准：从观测天体到使用各种物理方法，人类计时精度不断提高。

全球定位系统GPS，由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成，卫星上安装了高精度的原子钟。卫星高度2万公里。它是一个全天候的自动定位和导航系统，通过接收GPS卫星发射的时间—频率信号，判断和计算接收者的位置。经过广义相对论修正(时钟快慢随引力场强度而变)的GPS精度可在1米以内。现在的GPS系统已可装备到家用汽车上。

五、物理学与激光技术

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台X射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

六、物理学与国家安全

现代战争是高科技的战争，物理学在国防现代化中起着核心的作用。核武器是释放核能的大规模杀伤性武器。1945年美国首先制成原子弹，并投放到日本的广岛和长崎。为了对抗核讹诈，1964年我国成功试爆了第一颗原子弹，1967年成功试爆了第一颗氢弹。研制“两弹一星”的23位功勋科学家中有13位物理学家。

第8篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词 固体物理 材料物理 电子科学与技术 教学改革

中图分类号：G424 文献标识码：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

固体物理学，顾名思义，是研究固体结构及其组成粒子之间的相互作用与运动规律、阐明其性能与用途的学科。它为人们按指定性能研制新材料、新器件提供了科学途径和理论指导，在理论物理和应用物理之间起着纽带作用。上世纪五十年代末，固体物理学被采纳成为我国物理专业的一门基础课。①当时，三位国内固体物理学前辈，即黄昆先生、谢希德先生和程开甲先生率先在北京大学、复旦大学和南京大学的物理专业开设此课，这是物理专业课程设置上最为显著的一项改革。随着时代的发展，目前，固体物理不仅是物理学专业而且是电子学、材料学、光电子、微电子等相关专业的专业必修基础课。就我校而言，材料物理和电子科学与技术两个本科专业均开设了固体物理课程。材料物理和电子科技均属于应用型学科，材料物理专业学习的目的是为了使学生掌握材料的设计、合成、加工和分析等方面的理论、基本实验方法和技能等，使学生具有材料设计、分析和应用的科学研究和技术开发的基本能力。电子科技专业则要求学生通过掌握光电子器件、物理电子器件、电路与系统、信息技术等方面的理论知识和基本实验方法，使学生初步具有研究开发新的电子产品和技术的能力。因此，这两个专业的固体物理课程应该充分结合专业特点，与其他专业有所差别。笔者通过分析我校现有固体物理教学存在的主要问题，结合这两个专业的培养模式和专业特点，在教学内容、 教学方法等方面进行了一些实践和探索，以期改善教学效果，提升学生的综合素质和创新能力。

1 固体物理教学现状分析

在我校材料物理和电子科技专业的实践教学过程中，我们发现当前固体物理课程教学中存在的一些现状及问题。首先，材料物理和电子科技专业学生相对物理专业的学生而言，与物理相关的课程课时较少，物理理论基础比较薄弱，而固体物理中要用到大量的量子力学和统计物理知识，且数学处理比较复杂，大多数概念和理论都建立在复杂的数学推导过程之上，理论性较强，因此学生普遍感到学习起来比较困难。加之学生往往不知道所学知识在实际问题中如何应用，缺乏学习兴趣和动力，这些都严重影响了固体物理课的教学效果。其次，随着社会的进步和科技的发展，各种高新技术不断涌现，固体物理学科发展日新月异，光子晶体、新型半导体、超材料、超导、非晶态等新领域的研究取得了重大进展，新概念层出不穷，对固体物理教学提出了更高的要求。②如何与时俱进，根据专业特点处理好新旧知识之间的关系，提高学生的综合素质和创新能力，成为固体物理教学面临的主要问题。

2 固体物理教学改革措施

针对固体物理课程教学的现状，我们在这两个专业的固体物理教学过程中，充分考虑专业特点，通过教学内容和教学方法的一些改革研究和实践，以期将培养专业素养、科学素养贯穿整个课程的培养教学环节，激发学生的学习主动性，优化认知结构，改善教学效果。

2.1 教学内容的改革

（1）精选教学内容。对于材料物理和电子科技这样的非物理专业的学生，考虑到他们物理知识和数学基础相对薄弱，因此，这授课过程中，应该轻物理推导过程，重物理模型和物理意义的讲解，避免学生陷入繁琐的数学推导过程当中，帮助学生抓住主线，掌握固体物理中处理问题的方法。此外，根据学生专业的不同，在讲授基础知识时，需要注意与其他专业课程之间的联系，一方面避免与已学课程内容的重复，一方面为以后的相关课程打下一定的基础。比如，对于材料物理专业的学生，在材料科学基础等课程中已经对晶体的结合和晶体的缺陷这部分内容有所讲述，因此，在固体物理课中可以对这部分内容略讲。对于电子科技专业，除了固体物理以外，还开设了半导体物理等课程，因此，在半导体一章中，我们只是简单介绍了半导体的能带结构和电子分布特点。同时，对于一些重要、抽象、难以理解的概念，比如倒格子和布里渊区等，学生通常感到理解起来比较困难，然而这些内容又往往在不同章节中多次出现，对于这类内容，应从多角度、多方面，配合习题，精讲精炼，帮助学生理解其物理意义和应用方法。

（2）将学科前沿和热点引入教学。固体物理是当前物理学科中发展最快的分支，该学科新成果和新概念不断涌现，而固体物理学的经典教材大多成书较早，这些新的前沿内容教材中没有出现。因此，需要针对材料物理和电子科技不同的专业特点，适时地将与专业有关的最新进展和重要应用成果引入课堂教学中，做到基础知识与前沿知识相互融合，达到优化教学内容的目的。例如在讲解晶体结构一章时，可以将一些新型的材料介绍给学生，比如拓扑绝缘体、光子晶体、石墨烯等内容。在讲解能带理论时，可以向学生介绍近年的诺贝尔奖蓝色发光二极管，让学生明白我们所学的知识并不老旧，而是与现代科技紧密联系的。这样可以开拓学生的视野，提高学生对该门课程学习的积极性。

（3）增加科学史的介绍。在教学中增加相关科学史的介绍，看似无关紧要，实则效果斐然。因为每一个学科、每一种理论，都不可能在一朝一夕间建立，都有其漫长的发展演变过程，而每一个新理论的提出，都有其历史动因。因此，在讲授某一理论时，通过对历史背景和发展过程的介绍，可以帮助学生加深对所学理论的理解，明确该理论所要解决的物理问题，培养学生的科研思维方法。比如在讲解固体热容的内容时，先回顾基于经典统计理论的热容理论，在该理论中，热容是与温度和材料性质无关的常数，为了解决这一问题，爱因斯坦提出了基于量子理论的热容理论，然而在爱因斯坦理论中，假设各谐振子的振动频率都是一样的，这种假设过于简单，因此德拜在爱因斯坦模型的基础上，进一步提出了德拜模型，给出一个简单的谐振子频率的分布规律，更好地揭示了热容随温度的变化规律。通过这样的讲解，学生对热容理论的理解也就更加深刻了。

（4）注意各章节之间的联系，强调固体物理学的“范式”。在实际教学过程中，学生往往不清楚各章节之间的联系，普遍反映固体物理学的知识比较比较零散，概念多、模型多、定律多、原理多，各个章节的知识好像是一个个孤立的个体，缺乏一条将各方面的知识联系起来的主线。这主要是由于在现在的教学中，对固体物理学的“范式” 讲述和强调不够有关。根据科学史家库恩的观点，“范式”是一门学科成为科学的必要条件， 范式的形成是一个学科建立的标志。布里渊最早指出，固体物理学的范式应采用“周期结构中波的传播”来统一描述。③固体物理是以周期性的晶体为研究对象的，固体内各种粒子的运动，都可看作波在周期结构中的传播，而这种波的共同特点，就是当波矢位于布里渊区边界时不能传播，我们可以在此基础上统一理解晶体的衍射理论、晶格振动及能带理论等固体物理的主干内容。范式是一门学科的“纲”，学科的知识体系可据此建立和有机地联系起来。④

2.2 教学方法改革

（1）采用“黑板 + 多媒体”相结合的方式授课。多媒体作为先进的教学手段，既可提高教学效果，又可以丰富教学内容。但是不能搞“一刀切”，应该根据章节进行选择。⑤比如我们在对晶体结构进行讲解时，借助多媒体手段可以更加形象直观地将各种类型的晶体结构展现出来，还可以随意翻转，让学生从不同的角度和侧面进行观察，帮助学生建立空间图像，提高认知效率。然而对于一些数学推导过程复杂的章节，例如晶格振动等，如果单纯使用多媒体，学生通常会感到跟不上老师的思路，容易产生疲惫感。这时候如果使用板书，减慢速度，边推导边讲解，增强师生互动，则教学效果更好。

（2）利用先进计算软件。固体物理这门课程中的许多概念和理论都建立在繁杂的数学推导之上，学生往往觉得有理无物，不易理解。如果在教学中能够形象生动直观地解释这些物理概念和理论，并联系它们的实际应用，就可以帮助学生更好地理解所学知识，提高认知效率。Materials Studio 软件能够进行不同晶体结构的模型构建，能带及态密度的计算及图形化，介电常数的计算，红外、拉曼光谱计算，费米面计算及可视化等等，不仅功能强大，而且操作简单、界面友好，因此，适宜于本科生的日常教学实践。⑥对于不同专业的学生，均可以利用该软件将课本上的很多结论通过自己计算进行验证，加深理解。例如，对于材料物理专业的学生，可以让他们利用计算软件给出一些常见晶体材料的晶体结构，还可以给出晶体的光谱特性和介电性能等。对于电子科技专业的学生，可以利用软件模拟常见的直接带隙和间接带隙的半导体，并通过掺杂、加压等手段调控其能带结构，使学生更直观地了解晶体结构与性能之间的关系。总之，固体物理学中的很多概念和理论都能通过 Materials Studio 软件进行演示及计算，给出形象化的解释。该软件的使用不但可以帮助学生加深对所学知识的理解，还可以使学生了解现论物理方面的研究方法，提升学生的科研素养。

（3）理论联系实验，鼓励学生参与教师的科研课题。在固体物理的教学中，为了让学生更深刻地理解所学知识，培养学生灵活应用所学知识解决实际问题的能力，应该安排学生进行固体物理相关实验或直接参与教师的科研课题。对于材料物理专业的学生，可以安排他们进行材料制备、X射线衍射分析、Raman光谱测量等实验，还可以让他们参与碳纳米管的性能研究、晶体缺陷对电磁性能的影响等教师的科研课题，让学生从材料的制备到结构、性能表征等方面受到较为综合的训练。对于电子科技专业的学生，除了让他们了解常见晶体结构的表征手段以外，还可以进行半导体特性测定、太阳能电池特性测试、探测器响应特性测试等实验，帮助他们了解不同半导体材料性能的差别，以及这些差别与其微观晶体结构的联系。除此此外，也可以参与教师的科研课题，比如太阳能电池的结构及性能研究、石墨烯超级电容器的研究等。通过参与实验和教师科研活动，可以提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，提升其综合素质和创新能力。

（4）加强互动式教学模式，鼓励研究性学习。学生是学习的主体，在教学活动中，应该使学生充分参与到教学活动中来，加强教师和学生之间的互动。具体实施过程中，可以采取启发、讨论式教学，通过教师对教学过程的精心设计，巧妙设置问题，组织专题讨论等形式，充分调动学生的学习积极性。例如，在讨论课前提前布置一些讨论题目，“声子的本质”，“光子和电子的异同”，“倒格子和波矢空间在固体物理学中的作用”等，由于学生提前进行了准备，讨论氛围热烈，甚至发生了争论，常言道“理不辩不明”，经过讨论原本难懂的概念就变得清楚明了了。除了课堂上的互动，课余时间利用网络等其他手段的互动方式也非常重要。学生可以通过固体物理精品课程网站的讨论区和E-Learning网络学习空间，就课堂上没有弄明白的问题和老师、同学进行讨论，通过这种形式极大地拓展了学习的时间和空间。研究性学习也是近年来提出的一种有利于提高学生学习主动性和科学素养的学习手段。我们的具体实施方法为让学生撰写小论文，小论文的题目可以围绕一些前沿研究热点，还可以选择自己感兴趣的领域，就某一具体问题，在深入调研的基础上，写出它的应用及自己的一些观点。总之，我们努力将互动式、启发式、讨论式和研究性学习等教学模式有效的贯穿、融合于整个固体物理的教学当中，在这样多样化的实际教学实践中， 营造宽松、积极的教学氛围。

3 结语

针对我校固体物理课程教学的现状和存在的问题，本文根据笔者多年授课经验，结合学生的专业特点，从教学内容和教学方法上进行了一些改革，主要包括精选教学内容，将一些前沿热点知识和物理学史加入教学内容当中，并加强固体物理学“范式”的讲授。在教学过程中结合多种教学方式，理论联系实验，强调互动式和研究性学习等，通过这些措施使得教学效果得到明显改善。然而固体物理教学改革是一项复杂庞大的工程，随着时代的发展也会出现新的课题，仍需我们做出更多的研究和探索。

基金项目：本文系河南省高等学校重点科研项目（No.15A140043）、郑州轻工业学院青年教师教学改革与研究项目、郑州轻工业学院校博士基金的研究成果

注释

① 黄昆，韩汝琦.固体物理学.北京：高等教育出版社，1997.

② 钟佑洁，杨尊先.电子学科的固体物理教学改革初探.物理通报，2013（8）：17.

③ 冯端，金国钧.凝聚态物理新论.上海：上海科学技术出版社，1992.

④ 郑文琛.固体物理教学现代化的一些实践与思考.大学物理，1998.17（10）：34.

第9篇：半导体与量子力学的关系范文

关键词： 国家特色专业； 信息显示与光电技术； 规划与实践

中图分类号： G642.0文献标识码： A文章编号： 1009-055X（2013）02-0118-05

目前， 我国高等教育是按专业来培养人才的， 专业是大学学术组织存在的本质特征。高校专业建设是高校教学基本建设的核心， 建设一流大学的关键， 在于建立一批高水平的、 有特色的专业。

“特色”就意味着“与众不同”， 专业特色指的是专业的特别或出色之处。大学的生命力在于专业水平的高低， 而专业的生命力则在于专业特色是否鲜明。

华南理工大学是立足于华南面向全国建设的一所以工科为主的国家重点大学。在国家大力发展新型显示产业、 半导体照明产业、 太阳能电池产业等战略新兴产业的背景下， 主动适应国内外高新技术产业发展、 满足社会经济建设的急需， 我校结合自身光电学科的优势， 于2007年向教育部申请， 开始建设“信息显示与光电技术”本科专业。经过近5年的规划和建设， 该专业教师队伍建设、 实验室建设、 专业教材建设、 学生课外社会实践、 课外科研活动等方面， 取得了一些长足的进步。于2011年获批成为广东省“战略性新兴产业特色专业”、 国家“战略性新兴产业特色专业”。目前， 该专业已经成为一个师资队伍充满活力、 专业特色鲜明、 广受学生欢迎的国家级特色专业。

一、 信息显示与光电技术人才需求现状

信息显示与光电产业是一项新兴的高科技产业， 有“朝阳产业”之称， 有着巨大的潜力和广阔发展前景。根据世界知名调研公司Standford Research的报道， 信息显示与光电技术在全球已形成了年产值愈1000多亿美元的庞大产业群[1]。我国是一个信息显示与光电技术产业大国， 近年来相关产业和新技术发展迅速， 并已将其列为国家支柱产业和新的经济增长点。广东省作为我国信息显示与光电技术产业最大的省份， 更是明确在“广东省战略性新兴产业发展十二五规划”中将“高端新型电子信息、 新能源汽车、 半导体照明”确立为三大率先突破的产业。在这三大产业中， “高端新型电子信息、 半导体照明”这两个产业是与信息显示与光电技术密切相关的。

在高端新型电子信息产业中， 其重点之一是发展新型显示技术产业。新型的液晶平板显示产业， 近年来已成为全球彩电、 手机、 电脑等显示器产业最为关注的产业经济领域。全球主要面板厂商普遍看好液晶电视市场的巨大商机， 并将此作为大尺寸TFT-LCD产业的下一个爆炸性增长契机。另外， 作为下一代显示技术AM-OLED显示也开始受到人们的关注。广东省作为全国最大的彩电生产基地， 拥有一批诸如创维、 康佳、 TCL等知名电视生产厂商， 其电视产量约占到中国电视总产量的60%， 在信息显示技术领域具有深厚的技术及产业基础。目前已建成及在建的大型新型显示器件项目超过十个， 其中包括深圳华星光电的8.5代液晶面板生产线、 广东中显科技有限公司的OLED研发和产业化项目、 彩虹集团的OLED生产项目等等。

半导体照明由于具有节能、 环保、 寿命长等优点， 受到了全世界的关注。我国面对世界照明产业的重大转型和LED的兴起， 2003年底紧急启动“半导体（LED）照明产业化技术开发重大项目”， 并从2009年开始通过“十城万盏”等示范工程， 使得我国LED照明产业发展迅速。其中， 广东省在半导体照明产业的发展更是引人注目， 2011年广东省LED产业总产值突破1500亿元， 连续三年实现翻番增长。企业3000多家， 从业人员55万人， 带动就业220万人， 产值和规模继续位居全国首位。

在目前信息显示与光电技术产业背景下， 必然引发企业对专业技术人才的高度需求。遗憾的是， 在相关技术领域， 国内企业中掌握核心技术的本地化人才很少， 国内企业的核心技术部门大多被外籍工程师控制， 国内相关技术人才的培养体系不足以支撑国内信息显示与光电技术产业的人才需求， 这成为阻碍国内信息显示与光电技术产业发展的重要因素。为了给我国尤其是广东省的信息显示与光电技术产业培养更多的专业技术人才， 我校于2007年成立了“信息显示与光电技术”专业， 是广东省第一个针对信息显示与光电技术产业的本科专业。

二、 信息显示与光电技术专业的专业背景与特色

华南理工大学“信息显示与光电技术”专业， 是依托材料学院发光材料与器件国家重点实验室建设的国家战略新兴产业特色专业。发光材料与器件国家重点实验室聚集了一批高水平的科研人员， 包括中国科学院院士以及诺贝尔奖金获得者， 在新型发光材料的设计与合成、 稀土离子发光、 发光薄膜制备及结构调控、 发光器件物理机制等方面开展了大量原始创新的工作， 取得了国际领先水平的研究成果， 是国际知名的光电领域专业研究机构。

专业只有办出特色， 才能有牢固的立足之地和广阔的发展空间。为此， 我们根据依托单位的科研优势凝练和培育专业特色， 提出了以“材料与器件为基础， 突出信息显示、 半导体照明和太阳能电池三大应用技术”为特色建设“信息显示与光电技术”专业。雄厚的师资力量、 一流的科研设备资源， 为建设特色专业奠定了坚实的基础； 有鲜明科研特色的本科毕业生， 又为科研工作输送优质的研究生源。专业建设与科研工作的互动效应十分明显。

三、 课程体系建设

有深厚基础知识的学生， 未来将具有深远的发展潜力； 有宽泛学科知识的学生， 未来将具有强大的适应能力； 培养具有更强大适应能力、 更深远发展潜力的学生， 是重点高校的办学宗旨[2-3]。本专业按照厚基础、 宽口径的指导思想来设计课程体系， 培养基础扎实能力突出的新型工科人才。

信息显示与光电技术专业， 是材料学、 光学、 电学、 信息工程等多学科交叉的专业。在专业教学计划方面， 设置了基础课程、 专业基础课程、 专业课程等三个层次的课程， 各层次的课程又开设了必修课和选修课两类课程。在专业选修课设置上， 根据专业特色， 按照跟踪学科前沿、 掌握先进技术的原则设置一定学时的选修课， 增加教学计划的柔性， 拓宽学生的知识面。对不同专业方向感兴趣的学生， 所学习的必修课相同， 差异仅体现在选修课上。这样的课程设置， 体现了强化学科基础、 淡化专业方向， 可提高毕业学生的综合适应能力。

在基础课程方面， 开设了大学物理、 大学化学、 量子力学、 固体物理等理论性较强的基础课程， 夯实学科基础， 使毕业学生将来具备自行扩展光电知识和技能的能力。

在专业基础课程方面， 除了开设一些必修基础课程外， 还开设了材料科学导论、 有机电子学基础、 光度学、 发光学与发光材料、 激光技术、 光电子器件与工艺、 半导体材料与器件、 平板显示技术和现代薄膜技术等专业基础课程。

在专业课程方面， 主要围绕平板显示、 半导体照明和太阳能电池三个方向， 开设液晶材料与显示技术、 有机半导体材料、 TFT技术及其应用、 半导体照明技术、 LED光学设计技术、 LED驱动设计技术、 LED散热设计技术、 太阳能电池技术、 显示器件驱动技术等课程。坚持基础性和先进性相结合的原则， 将经典与现代有机结合， 及时将科研成果引入课程教学； 坚持分析与综合并重、 经典与现代并重、 软件实现与硬件实现并重的原则， 合理分配学时和内容。

新材料是新器件的基础， 新器件是新技术的基础， 我们开设的基础性、 专业基础性以及专业性等三个层次的课程， 都是围绕着材料、 器件和技术等三个方面来安排的。优化专业课程体系模块， 厚基础宽口径设置教学计划， 将为培养基础扎实、 能力突出的新型工科人才奠定坚实的基础和保障。

四、 师资队伍建设

师资人才队伍是学科建设的基础。建设一支年龄、 职称、 学历、 学科结构合理， 学术水平高， 发展潜力大的师资队伍， 是“信息显示与光电技术”国家特色专业建设成败的关键。经过近五年的发展， 本专业已形成了以著名高分子光电材料专家曹镛院士、 彭俊彪教授等为核心的高水平教学团队。

（一）坚持“育人为本”的教学理念

育人为本， 以学生为主体， 全面推进素质教育， 以提高教学质量为核心； 注重因材施教， 以培养创新人才为重点， 努力提高学生的创新精神和创新能力； 强化实践教学， 进一步加强实践教学环节， 推进教育教学与生产劳动和社会实践的紧密结合， 切实提高学生的实践能力； 加快教学过程中信息技术的应用， 推进教学方法改革， 促进高等教育优质教学资源的建设与共享； 把教师作为办学的主体， 建立有效的团队合作机制， 加强青年教师培养， 激励教师积极投身教学工作[4]。

在师资队伍建设中， 提出“人事相宜、 和谐发展”的队伍建设理念， 从师资培养、 岗位设置、 激励措施等方面进行改革， 建立有效的队伍建设机制， 体现教师成长和事业发展的和谐促进。

（二）围绕核心课程， 建设多学科交叉的专业教学团队

在教学团队建设过程中， 学校各级管理部门积极为教学团队提供多种服务、 指导和支持， 确立教学团队的学术主导地位， 将教学团队的管理权力进一步下放， 扩大团队的管理自， 积极整合教师资源， 为教学团队的组建和发展构建坚实的平台。在团队内部管理方面， 实行专业总负责人、 专业方向负责人、 团队成员三级管理机制。专业总负责人提出总体建设目标， 分解到专业方向负责人和团队成员， 做到五个有： 有明确的建设目标， 有具体的推进措施， 有合理的工作授权， 有全程的检查督促， 有良好的思想沟通。

围绕专业核心课程， 依据专业方向， 建设教学团队。实施岗位责任制， 分为信息显示技术、 半导体照明技术、 太阳能电池技术三个专业方向。每个专业方向有带头人， 负责相关课程群（包括教学人员的安排、 课堂教学、 课程建设、 教材建设、 实验体系建设等）， 并依托相关的科研平台组建教学小组。注重理论教学与实践教学相结合， 科学研究与教学研究相结合， 课程建设与学科建设相结合。

（三）建设“传、 帮、 带”的工作培训机制， 加快青年教师的成长

实行“传、 帮、 带”的培训体系。对新入职教师进行正规的培训， 参加学校组织的教师岗前培训班， 取得国家颁发的教师资格证才能加入教学团队； 注重中青年教师能力的提升， 定期参加教育部高校师资培训交流中心等国内权威培训机构组织的培训学习； 加强和企事业单位的合作， 鼓励教师参加企事业单位中组织的工程技术类培训， 及时更新对光电产业的了解； 由专人整理优秀老教师的宝贵经验， 作为培训教材； 加强双语教学课程的建设， 由英语表达流利、 具有国外学习和进修的教师担任双语课程的教学， 教学成绩突出的教师还可选派出国研修以拓展视野。

五、 教学条件建设

（一）重视专业教材编写， 建设一套切合新专业技术实际需求的教材体系

教材是体现教学内容和教学方法的载体， 是教学工作的基本要素， 是保障和提高教学质量的重要基础。战略性新兴产业， 由于属于高新技术产业， 没有或者很少有传统的、 经典的教材和讲义可供借鉴和使用。为了提高课堂教学质量， 我们在积极引进兄弟院校优秀教材和讲义的基础上， 成立专业主干教材编写组， 着手编写切合新专业实际、 切合我校课程体系实际的“信息显示与光电技术”系列教材。包括《有机半导体电子学》、 《TFT技术及应用》、 《半导体照明技术》、 《平板显示器驱动技术》、 《太阳能电池技术》等。同时， 还采取一些激励措施， 鼓励专业教师根据专业特点， 紧密结合科研实际， 编写高水平的选修课程教材， 加快新办专业教材体系建设和完善。在努力保持教学内容的基础性、 先进性和前沿性前提下， 在教材内容的取舍和教材编写风格上下功夫， 力争将学生从教材繁复的公式推导迷魂阵中解放出来。形成文字教材、 电子教材、 辅助教材和参考资料相配套的系列教学用书和教学软件， 适应多样化的教学需要。

（二）精选专业实验内容， 构建一个培养学生综合能力的实验教学新体系

“信息显示与光电技术”专业是具有“新材料、 新器件、 新技术”鲜明应用特色的工科专业。专业实验教学是其本科培养计划极其重要的组成部分。我们的专业实验内容主要围绕这三个方面来开设。

为了体现“新材料”特色， 我们开设了有机发光材料合成、 液晶材料综合性能测试、 有机材料热性能测试、 薄膜材料形貌观测与分析、 有机发光材料分子量测量等相关的专业实验课程。

为了体现“新器件”特色， 我们开设了发光器件阻抗测试、 发光器件EL测试、 发光器件PL测试、 发光器件吸收光谱测试、 发光器件加速老化寿命测试、 发光器件载流子迁移率测试、 发光器件显色指数测试、 发光器件发光效率测试等专业实验课程。

为了体现“新技术”特色， 我们开设了太阳能电池综合性能测试、 平板显示器驱动电路编程实验、 发光二极管光电综合性能测试、 OLED显示屏综合性能测试、 OLED显示屏激光修复实验、 激光器功率测试、 LED配光设计实验等专业实验课程。

我们遵循“实践性、 开放性、 自主性和创新性”（四性）和“教学与科研、 理论与实践、 经典与现代、 虚拟与实训”（四结合）来精心选择专业实验内容， 通过基本实验、 综合性实验、 设计性实验、 科学小实践等来组成四级实验教学体系。在实验教学中， 充分应用各种最新的硬件和仿真软件， 能硬则硬， 能软则软， 或软硬结合。另外， 我们还注意淡化理论教学与实验教学的界限， 将理论教学与实验教学有机结合， 实验教学作为理论教学的延伸。

通过近五年的努力， 我们初步构建起了比较完善的实验教学体系。充分发挥了专业实验在专业课程教学中的作用， 激发了学生的学习兴趣， 丰富了学生的感性认识， 加深了学生对基本概念、 定理和定律的理解， 降低了学习过程中的难度， 培养了学生的观察能力、 思维能力、 动手操作能力、 分析归纳能力以及创新能力， 有力地保障了专业培养计划的顺利实施。

（三）寓教于研， 充分发挥国家级科研平台对教学的支撑和促进作用

“信息显示与光电技术”国家特色专业， 所依托的高分子光电材料与器件研究所， 拥有“发光材料与器件国家重点实验室”、 “发光材料与器件国家引智基地”、 “特种功能材料教育部重点实验室”等三个国家级科研平台和多个省级、 校级科研平台。本学科拥有雄厚的科研实力， 为了将其转化为优质的本科教学资源， 我们遵循“寓教于研， 教学科研相长、 学科专业并进、 教师学生共赢”的理念， 采取多项举措来建设国家特色新专业。

鼓励教师结合自己的科研课题， 提炼可供大学生参与的研究题目， 积极指导学生参与华南理工大学SRP（大学生研究计划）、 华南理工大学攀登计划以及省级、 国家级大学生创新实验计划等项目[5]， 使特色专业的学生在四年的大学学习期间， 人人有机会参与学生科研项目， 使学生的动手能力和科研创新意识得到提高。

对有继续读研深造的优秀本科生， 在大学三年级开始实行导师制。多个国家级的科研平台， 提供了本科生大量从事辅助研究的机会。教师是学生创新实践的领路人， 学生是教师科学研究的好帮手。在教师眼里学生不再是累赘和负担， 在学生眼里教师永远严谨慈祥。本科生导师制作为一种积极的教育辅助机制， 让本科生直接参与到导师的科研项目中， 在实践中进行锻炼， 帮助学生从以学习知识为主的本科阶段， 顺利过渡到以知识创新为主的研究生阶段， 可进一步提高学生的科研创新能力。

鼓励教师结合自己的科研课题， 精选适合本科生实际能力的题目， 指导本科生的毕业设计。这种基于教师科研实际的题目， 使学生的毕业设计不会流于形式走过场， 有助于培养学生运用知识的创新能力， 培养学生严谨的科学精神和务实的工作作风。

（四）以产学研基地为依托， 建设完善的实践教学体系

华南理工大学是华南地区最具影响力的国家重点工科大学， 建校60年来， 为国家特别是华南地区培养了大量的工程型技术人才， 素有工程师摇篮之美誉。华南地区是我国最大的电子信息产业基地、 最大的光电产业基地。据权威部门统计， 广东省的信息显示产业、 半导体照明产业占全国百分之五十以上的市场份额。巨大的产业市场、 广泛的产业界校友人脉资源， 为“信息显示与光电技术”专业的“产业化”办学理念提供了得天独厚的条件。

我们聘请校外企业家担任专业兼职教授， 多人次不定期来校进行专题产业技术讲座， 拉近学生与知名企业家的距离， 近距离感受企业家的人格魅力和榜样的力量。带领大一新生在开学之初期， 到知名企业参观学习， 进行专业认知教育， 认识、 感知新专业， 明确大学期间的学习目标。组织学生每个寒暑假到企业去实习， 走进车间走进生产线， 融入产业工人角色， 培养学生的动手能力和产业意识。

四年来， 我们跟TCL集团、 创维集团、 康佳集团等电子信息龙头企业， 以及大族激光、 国星光电、 鸿利光电、 木林森、 雷曼光电、 勤上光电等光电产业上市公司， 建立了各种形式的产学研合作关系， 为培养研究应用型人才做了大量有益的尝试。

（五）以国际友好学校为纽带， 培养具有国际化视野的新一代大学生

本专业依托单位是2006年教育部与国家外国专家局联合， 在全国首次设立的“111计划”50个引智基地之一， 聘请了包括美国加州大学教授、 2000年诺贝尔化学奖获得者A.J.Heeger教授在内的十多位海外著名学者为客座教授， 每年来学校进行学术讲座、 研究与交流， 让普通的本科大学生近距离感受到国际学术大师的魅力。

华南理工大学地处珠江三角洲， 处于改革开放的前沿阵地， 与海外与港台有悠久的、 广泛的历史渊源。本专业借助于地缘优势以及本单位的海外学术交流优势， 与澳大利亚新南威尔士大学、 美国加州大学、 香港科技大学、 新加坡国立大学等多所海外高校建立了科研合作以及学生互换计划。基于科研合作基础上的海外交流， 使本专业与海外友好学校的关系更密切， 有助于互相借鉴建设经验， 积极发挥专业品牌的辐射作用， 有利于培养具有国际化视野的开放性的新一代大学生。

专业建设旨在培养满足社会需要、 受社会欢迎的高质量的人才， 专业的特色尤为重要。我们根据战略新兴产业对人才需求的形势， 结合本单位的学科优势， 凝练“信息显示与光电技术”专业的特色为“以材料与器件为基础， 突出信息显示、 半导体照明与太阳能电池三大技术”的专业特色， 培养“科研化、 国际化、 产业化”的工科人才。

专业建设是一项长期的系统工程， 为了探索国家特色新专业的建设经验， 我们还将继续加强与国内外高校与企业界的联系， 不断优化专业建设理念， 努力使专业建设工作再上一个新台阶。

参考文献：

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