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1、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显示材料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
2、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
3、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.
4、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.
5、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
6、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
7、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
8、.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.摘要：半导体量子阱材料的发展，极大地拓宽了光电材料的范围，而量子阱材料本身也被广泛应用于制作各种光电器件。本文首先介绍了量子阱的基本原理，然后重点介绍了量子阱器件的结构，最后总结了量子阱的各个应用领域。关键词：量子阱；器件；红外探测器；激光器；1引言量子阱器件,即指采用量子阱材料作为有源区的光电子器件,材料生长一般是采用MOCVD外廷技术。这种器件的特点就在于它的量子阱有源区具有准二维特性和量子尺寸效应。二维电子空穴的态密度是台阶状分布,量子尺寸效应决定了
9、电子空穴不再连续分布而是集中占据着量子化第一子能级,增益谱半宽大为降低、且价带上轻重空穴的简并被解除,价带间的吸收降低。2量子阱器件基本原理量子阱基本原理1半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构.以GaAsAlAs半导体超晶格的结构为例:在半绝缘GaAs衬底上沿001方向外延生长500nm左右的GaAs薄层,而交替生长厚度为几埃至几百埃的AlAs薄层。编辑：。这两者共同构成了一个多层薄膜结构。GaAs的晶格常数为,AlAs的晶格常数为。由于AlAs的禁带宽度比GaAs的大,AlAs层中的电子和空穴将进入两边的GaAs层，“落入”GaAs材料的导带底,只要GaAs层不是
10、太薄,电子将被约束在导带底部,且被阱壁不断反射。换句话说,由于GaAs的禁带宽度小于AlAs的禁带宽度,只要GaAs层厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”着载流子,无论处(转载于:写论文网:量子显示材料)在其中的载流子的运动路径怎样,都必须越过一个势垒,由于GaAs层厚度为量子尺度,我们将这种势阱称为量子阱.当GaAs和AlAs沿Z方向交替生长时,图2描绘了超晶格多层薄膜结构与相应的的周期势场。其中a表示AlAs薄层厚度(势垒宽度),b表示薄层厚度(势阱宽度)。如果势垒的宽度较大,使得两个相邻势阱中的电子波函数互不重叠,那么就此形成的量子阱将是相互独立的,这就是多量子阱。多量子阱的光学
11、性质与单量子阱的相同,而强度则是单量子阱的线性迭加。另一方面,如果两个相邻的量子阱间距很近,那么其中的电子态将发生耦合,能级将分裂成带,并称之为子能带。而两个相邻的子能带之间又存在能隙,称为子能隙。通过人为控制这些子能隙的宽度与子能带,使得半导体微结构表现出多种多样的宏观性质。量子阱器件量子阱器件的基本结构是两块N型GaAs附于两端,而中间有一个薄层,这个薄层的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成,。在未加偏压时,各个区域的势能与中间的GaAs对应的区域形成了一个势阱,故称为量子阱。电子的运动路径是从左边的N型区(发射极)进入右边的N型区(集电极),中间必须通过AlGaAs
12、层进入量子阱,然后再穿透另一层AlGaAs。量子阱器件虽然是新近研制成功的器件,但已在很多领域获得了应用,而且随着制作水平的提高,它将获得更加广泛的应用。3量子阱器件的应用量子阱红外探测器量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代发展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用MBE和MOCVD等先进工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料,容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁,并将从基态激
13、发到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数,使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内(束缚态)、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。量子阱在光通讯方面的应用光通信是现代通信的主要方式,光通讯的发展需要宽带宽、高速、大容量的光发射机和光接收机,这些仪器不仅要求其体积小,质量高,同时又要求它成本低,
14、能够大规模应用,为了达到这些目的,光子集成电路(PICS)和光电子集成电路(OEICS)被开发出来。但是,通常光子集成电路和光电子集成电路是采用多次光刻,光栅技术、干湿法腐蚀技术、多次选择外延生长MOCVD或MBE等复杂工艺,从而可能使衔接部位晶体质量欠佳和器件间的耦合效率低下,影响了有源器件性能和可靠性。近20年来发展了许多选择量子阱无序或称之为量子阱混合(QWI)的新方法,目的在于量子阱一次生长(MOCVD-QW)后,获得在同一外延晶片上横向不同区域具有不同的带隙、光吸收率、光折射率和载流子迁移率,达到横向光子集成和光电子集成的目的,这样就避免了多次生长和反复光刻的复杂工艺。4结语半导体超
15、晶格和量子阱材料是光电材料的最新发展,量子阱器件的优越性使得它活跃在各种生产和生活领域。目前,在光通信、激光器研制、红外探测仪器等方面,量子阱器件都得到了广泛的应用。随之科学技术的不断进步,我们相信,半导体超晶格和量子阱材料必然在更多领域发挥其独特的作用。参考文献：1陆卫，李宁，甄红楼等红外光电子学中的新族量子阱红外探测器J中国科学，XX，39(3)：336343杜鹏，周立庆面向工程化应用的量子阱红外探测材料制备研究J激光与红外，XX，40(11)：12151219毕艳军，郭志友，于敏丽等.P型GaMnAs/AlGaAs量子阱红外探测器研究J激光与红外，XX，38(8)：784786谭智勇，郭旭光，曹俊诚等.基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究J物理学报，XX，59(4)：10003290量子点显示技术全面解析XX-12-17量子是现代物理的重要概念。最早是M普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物
