量子力学在材料科学中的应用

1、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

2、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:2.1 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

3、存在饱和共价键. 半导体材料2.2 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

4、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.2.3 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

5、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,

6、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.2.4 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2.5 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