光電信息功能材料與量子物理研究

周舟　陳淵　黃軼瞾

摘要：現(xiàn)就光電信息功能材料的重要性作為研究的基礎(chǔ)，著重就光電信息功能材料和量子物理進(jìn)行闡述，根據(jù)二者之間的關(guān)系，提出相關(guān)的理論。

關(guān)鍵詞：光電信息；功能材料；量子；物理

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種光電信息功能材料，所謂信息功能其實(shí)就是指信息的傳輸、存儲(chǔ)、接受顯示、控制、產(chǎn)生以及轉(zhuǎn)換的能力，其主要的技術(shù)指標(biāo)包括：大容量傳輸、多功能、高速度以及低能量的消耗等。近年來(lái)，隨著光電信息技術(shù)的結(jié)合，使信息技術(shù)的發(fā)展水平越來(lái)越高，其傳輸速度已經(jīng)達(dá)到了Gbot，大容量的數(shù)碼儲(chǔ)存已經(jīng)達(dá)到了KT級(jí)別，實(shí)現(xiàn)了聲音、圖像和數(shù)據(jù)三位一體的功能，有效降低能量的損耗，并逐漸向微觀物理發(fā)展。因此，在研究光電信息功能材料的時(shí)候，必須要以量子物理作為其支撐?，F(xiàn)就光電信息功能材料的重要性作為其研究的基礎(chǔ)，具體闡述量子物理在光電功能材料中的重要性。

1 光電信息功能材料的概述

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，材料研究一直都是技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)，同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)和完善科學(xué)規(guī)律等的重要基礎(chǔ)。人們?cè)谏婧桶l(fā)展的過(guò)程中，不斷地向物質(zhì)世界索取財(cái)富，而這就是技術(shù)和科學(xué)發(fā)展的最終目標(biāo)，怎樣才能將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為我們自己的財(cái)富，首先要對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行探索和總結(jié)，以此來(lái)找尋轉(zhuǎn)化為物質(zhì)財(cái)富的方法，其前者主要是指科學(xué)，后者則是指技術(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行材料的研究。

隨著量子論的發(fā)展，給予了人們最為直接的啟示就是揭示了原子中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是原子最外層價(jià)的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其中首先開(kāi)發(fā)應(yīng)用的是一種金屬性的材料，主要包括不銹鋼、特殊鋼材、黑色和有色合金等金屬材料，使電磁場(chǎng)能量的應(yīng)用逐漸進(jìn)入到了電子層次微觀物理的范疇內(nèi)。同時(shí)量子論還提出了固體中的電子能帶理論，準(zhǔn)確揭示了固體材料中的電子能帶結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，從電子運(yùn)動(dòng)微觀物理的機(jī)制區(qū)別了絕緣體、半導(dǎo)體和金屬，開(kāi)發(fā)出了一種新型的半導(dǎo)體材料，使電子學(xué)材料逐漸進(jìn)入到了電子信息功能材料的范疇內(nèi)。隨著半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)和研究，在60～70年代，開(kāi)始出現(xiàn)了一種電子技術(shù)，這種電子技術(shù)主要是通過(guò)固體電子學(xué)器件的更新，形成一種電子氣類型的電子學(xué)器件，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為的電子回路集成化技術(shù)和電子學(xué)器件的小型化，以及目前的超大規(guī)模的集成電路以及高速輕巧的電腦，使社會(huì)開(kāi)始向電子技術(shù)時(shí)代發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)以及其他的信息處理技術(shù)，奠定了信息技術(shù)的基礎(chǔ)。

隨著半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)和利用，電子材料的科學(xué)地位已經(jīng)變得越來(lái)越重要，研究材料不僅是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)，同時(shí)也是完善科學(xué)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，是開(kāi)發(fā)技術(shù)的物資基礎(chǔ)，貫穿于科學(xué)技術(shù)的整個(gè)過(guò)程。此外，隨著光纖技術(shù)的興起，光纖技術(shù)和激光技術(shù)的結(jié)合，為信息技術(shù)的發(fā)展奠定了一個(gè)更為牢固的基礎(chǔ)。由于光集成技術(shù)和光存儲(chǔ)技術(shù)的牽引。使光子學(xué)信息功能材料的開(kāi)發(fā)和研究進(jìn)入到了微觀物理層次，拓寬了其研究的范圍，其覆蓋面積包括非金屬、無(wú)機(jī)、金屬、有機(jī)、靜態(tài)、非靜態(tài)等學(xué)科和技術(shù)，使電子計(jì)算機(jī)發(fā)展成為了信息儲(chǔ)存、傳輸和處理等智能工具，推動(dòng)了信息技術(shù)的發(fā)展。

2 光電信息功能材料和量子物理的研究

2.1 電子學(xué)信息功能材料和量子物理研究

將電波或者電子作為信息載體的一種信息功能材料被稱為電子型的信息功能材料，大多數(shù)的電子型功能材料都屬于周期性且原子排列的晶體材料，在研究電子學(xué)信息功能材料中的量子物理必須要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，量子的尺寸效應(yīng)；第二，量子的共振隧道效應(yīng)；第三，電子運(yùn)動(dòng)的波粒二像性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 光子學(xué)信息功能材料和量子物理研究

所謂光子學(xué)信息功能材料主要是指以光波或者光子作為信息載體的材料，在本文中所討論的材料主要為傳輸型材料，這種類型的材料主要是指塑料、玻璃或者石英等一些非晶態(tài)的固體材料。隨著光集成技術(shù)和光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，這種類型的材料已經(jīng)成為目前比較常用的光信息功能材料，是目前應(yīng)用最廣以及發(fā)展前景最好的一種材料，就著重對(duì)這種類型的材料進(jìn)行闡述。

2.2.1 光子學(xué)信息功能材料的相關(guān)物理基礎(chǔ)。隨著光信息技術(shù)和光子技術(shù)的快速發(fā)展，我們?cè)诜治鲞@種非晶態(tài)的固體材料的時(shí)候，應(yīng)著重從介質(zhì)和光子之間互相作用的量子物理問(wèn)題入手，比如，在介質(zhì)中光運(yùn)動(dòng)所遵循的量子運(yùn)動(dòng)規(guī)律；介質(zhì)中的光傳輸體系是非相對(duì)論性還是相對(duì)論性；空氣中的波粒性二像性和在介質(zhì)中光傳輸?shù)牟Ｐ远裥源嬖诘膮^(qū)別；光子是否存在靜止質(zhì)量。

2.2.2 光子技術(shù)發(fā)展提出的相關(guān)量子物理問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：第一，激光器的轉(zhuǎn)換效率較為低下，要想解決這一問(wèn)題，我們可以將光運(yùn)動(dòng)行為和電子運(yùn)動(dòng)的量子理論進(jìn)行結(jié)合，使光子學(xué)信息功能材料同樣具有共振隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，以此提高激光器的轉(zhuǎn)換效率。第二，光子晶體的問(wèn)題。在1987的時(shí)候，John和Yabdonovitch通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出，如果周期性介質(zhì)是人工制造的話，其光的傳輸具有一定的波段選擇性，通常被人們稱為光子帶系結(jié)構(gòu)，而這種周期介質(zhì)被稱為光子晶體，同時(shí)還預(yù)言光子晶體將會(huì)是傳輸光的一種半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的人工控制，使光子晶體成為了國(guó)內(nèi)外研究光子學(xué)信息功能材料的一個(gè)熱點(diǎn)，而要想解決這一問(wèn)題，首先要了解在介質(zhì)中光運(yùn)動(dòng)的量子規(guī)律等問(wèn)題。第三，多孔硅發(fā)光的問(wèn)題和光耦合問(wèn)題等。

2.2.3 根據(jù)上述中光子學(xué)信息功能材料中量子物理的研究，國(guó)內(nèi)外很多的學(xué)者都認(rèn)識(shí)到了研究光電信息功能材料時(shí)，必須要結(jié)合量子物理來(lái)進(jìn)行研究?，F(xiàn)就近年來(lái)光學(xué)信息功能材料中量子物理的研究，提出相關(guān)的建議：第一，光在介質(zhì)中的傳輸物理模型是否一定是電磁波；第二，波動(dòng)光學(xué)主要是指光的電磁場(chǎng)理論，即研究在氣體中和真空中光的傳輸，那么在固體介質(zhì)中光的傳播是否會(huì)成功；第三，量子力學(xué)的使用條件必須要有重物質(zhì)粒子，那么在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，怎樣通過(guò)量子物理方程或者其他的定量公式來(lái)表示光子等。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光電信息功能材料的開(kāi)發(fā)和研究必須要通過(guò)量子物理的支撐，目前光電信息功能材料的研究其實(shí)就是指以光波、光子、電波、電子作為其信息載體，研究量子物理在光電信息功能材料中的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王占國(guó).半導(dǎo)體光電信息功能材料的研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009，（1）：65-73.

[2]王藜蓓，陳芬，周亞訓(xùn)，等.幾種光電信息功能材料的研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011，（5）：43-46.

[3]劉旭紅.我國(guó)以量子物理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代計(jì)量基準(zhǔn)研究取得突破性進(jìn)展[J].中國(guó)計(jì)量，2011，（8）：14-14.

[4]舒小林，陳子愉，樂(lè)小云，等.中法工科量子物理教材比較[C].//2009年全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2009：172-174.

[5]湯卉，胥煥巖，張劍峰，等.CDIO模式下光電信息材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系優(yōu)化[J].北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012，29（3）：325-326.

作者簡(jiǎn)介：周舟（1991，3-），男，江蘇無(wú)錫人，學(xué)歷本科。

黃軼 （1990，8-），男，江蘇宜興人，學(xué)歷本科。

陳淵（1991，10-），江蘇江陰人，男，學(xué)歷本科。