凝聚態(tài)物理學(xué)與材料研究的前沿問(wèn)題

馬明毅

摘要 近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，學(xué)術(shù)界對(duì)各個(gè)學(xué)科加大了研究力度。凝聚態(tài)物理學(xué)與材料科學(xué)交叉取得了豐富的研究成果，為相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)了諸多發(fā)展機(jī)遇。本文從凝聚態(tài)物理學(xué)與材料概念入手，從表面等角度深入探討凝聚態(tài)物理學(xué)與材料研究前沿問(wèn)題，為未來(lái)學(xué)科發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 凝聚態(tài)物理學(xué)；材料；前沿問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào) 04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)2095—6363（2016）13—0003—02

材料科學(xué)與物理學(xué)之間存在密切的聯(lián)系，物理學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)性學(xué)科，在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中占據(jù)至關(guān)重要的位置。同時(shí)，材料科學(xué)遇到的難題吸引著物理學(xué)家分析和研究，因此，物理學(xué)與材料學(xué)深度結(jié)合形成了一門(mén)交叉學(xué)科。其中凝聚態(tài)作為物理學(xué)的一部分，加強(qiáng)對(duì)其與材料研究前沿問(wèn)題的研究能夠?yàn)閷W(xué)者后續(xù)研究提供更多支持，且能夠在很大程度豐富研究成果。

1凝聚態(tài)物理學(xué)與材料概述

凝聚態(tài)物理學(xué)，是指研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)等之間的關(guān)系。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)對(duì)構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)電子、離子等運(yùn)行形態(tài)、規(guī)律進(jìn)行探索，充分認(rèn)識(shí)物質(zhì)的物理性質(zhì)。隨著研究不斷深入，針對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的研究已經(jīng)由初級(jí)層面朝著高級(jí)層面發(fā)展。如有固體形態(tài)向外拓展上升至液氮、熔鹽等液態(tài)物質(zhì)，甚至還有氣態(tài)物質(zhì)。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，一些全新的概念體系逐漸滲透，產(chǎn)生了更多新的研究成果，賦予材料新特點(diǎn)，在很大程度上幫助學(xué)者解決疑難問(wèn)題提供了極大的支持。

就廣義角度來(lái)看，材料是幫助人類(lèi)生產(chǎn)和生活，制造有用器件的物質(zhì)。隨著人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，自然資源和能源日益減少，對(duì)于材料概念的理解也發(fā)生了變化，因此材料是人類(lèi)社會(huì)能夠接受、且經(jīng)濟(jì)性地創(chuàng)造有用器件的物質(zhì)，更加強(qiáng)調(diào)資源、環(huán)境等因素。從實(shí)用層面來(lái)劃分，材料分為金屬、無(wú)機(jī)及有機(jī)3種。

2凝聚態(tài)物理學(xué)與材料研究前沿問(wèn)題分析

2.1表面與界面方面

表面與界面作為物理學(xué)與材料學(xué)交叉的重要領(lǐng)域，很多相互作用都建立在材料表面和界面基礎(chǔ)之上。物體自身狀態(tài)直接決定材料熱力學(xué)效應(yīng)。作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，界面與表面是當(dāng)今該領(lǐng)域研究的一大難點(diǎn)。凝聚態(tài)物理學(xué)研究成果，在很大程度上為材料界面與表面理論發(fā)展提供了支持，如離子束的提出，使得人們自20世紀(jì)60年代開(kāi)始運(yùn)用離子束，注入到材料表面，對(duì)材料表面特性進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使其在具體實(shí)踐中能夠更好地發(fā)揮積極作用，為人們生產(chǎn)和生活提供便利。

催化和腐蝕是表面控制的2個(gè)主要過(guò)程。截止到今天，催化和腐蝕機(jī)理尚未得到完善的研究成果。此外，薄膜功能材料的提出，也成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。如光的干涉效應(yīng)能夠引起透射和反射。表面與界面在為電子學(xué)方面也具有非常重要的作用，如半導(dǎo)體和金屬界面等，能夠?qū)ζ骷阅艿陌l(fā)揮產(chǎn)生不同程度的影響。綜合來(lái)看，表面和界面的研究處于前沿地位，且每個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的有效解決都能夠給相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.2微結(jié)構(gòu)方面

凝聚態(tài)物理學(xué)很多基本理論，如固體能帶理論、元級(jí)法理論等都是建立在粒子數(shù)無(wú)限大基礎(chǔ)之上。這些理論證明了銅、鋁具有導(dǎo)電性，為實(shí)踐生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)如今，運(yùn)用能帶理論，能夠?qū)w的參量進(jìn)行計(jì)算，并獲取準(zhǔn)確的結(jié)果。由于該項(xiàng)理論非常成熟，要想進(jìn)一步突破難度非常大。對(duì)此要想發(fā)現(xiàn)全新的結(jié)果，需要從不同的道路著手。正如R.Feynman曾指出“當(dāng)我們得以對(duì)細(xì)微尺度的事物進(jìn)行操控，將會(huì)在很大程度上拓展我們獲得的范圍”，其所要強(qiáng)調(diào)的是未來(lái)新材料的發(fā)展和研究動(dòng)向，即通過(guò)設(shè)計(jì)和控制材料在細(xì)節(jié)上的差異性，從而在現(xiàn)有材料中探索出意想不到的物理性能。

2.3理論與模型方面

理論與模型對(duì)材料科學(xué)貢獻(xiàn)較大。計(jì)算物理學(xué)是材料科學(xué)家運(yùn)用的主要工具，定量模型的發(fā)展是物理學(xué)與材料科學(xué)交叉的產(chǎn)物，通過(guò)構(gòu)建模型能夠?qū)ξ锲返奈锢硇再|(zhì)等進(jìn)行分析和了解。目前，很多物理學(xué)概念在材料研究中應(yīng)用較廣。如相變、裂變等，與之相對(duì)應(yīng)的儀器設(shè)備也層出不窮。如今空間分辨率能夠在特定環(huán)境下觀察到單個(gè)原子，因此可以說(shuō)，沒(méi)有這些研究成果，材料科學(xué)就不能夠獲得更大的進(jìn)步。但是微結(jié)構(gòu)的定量描述始終是材料科學(xué)的主要課題，也是物理學(xué)家和材料學(xué)家合作的重點(diǎn)方向。

2.4材料方面

凝聚態(tài)理論日漸完善，使得我們能夠更加明確材料的物理特性，但是隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，仍然面臨著很多疑難問(wèn)題。如強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中的材料寶藏。電子關(guān)聯(lián)，是電子之間形成的庫(kù)侖作用。就現(xiàn)有理論研究成果來(lái)看，處理固體電子系統(tǒng)時(shí)，需要適當(dāng)忽略電子之間的相互作用，在理想條件下進(jìn)行研究。但得出的結(jié)論依舊不能夠掩蓋這一缺陷，且不能夠適用于實(shí)踐當(dāng)中?？梢?jiàn)，電子之間的庫(kù)倫作用關(guān)聯(lián)重要性受到了廣泛關(guān)注。

通常來(lái)說(shuō)，強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)存在于特定范圍當(dāng)中，如金屬與絕緣體界限附近，即電子處于完全離域化拓展?fàn)顟B(tài)。因此要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電子具體狀態(tài)的有效判斷，研究人員需要從其他方面入手，分析各個(gè)元素之間的關(guān)系，然后對(duì)其形態(tài)進(jìn)行排序，最后獲取到相應(yīng)的規(guī)則。值得關(guān)注的是，現(xiàn)階段，我們針對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的認(rèn)知水平處于初級(jí)階段，無(wú)論是理論、還是實(shí)踐方面都有待進(jìn)一步深入。而從材料方面來(lái)說(shuō)，多元復(fù)雜結(jié)構(gòu)的氧化物尚未得到開(kāi)發(fā)和研究，因此，可以將此作為未來(lái)全新的研究課題，并利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)理論，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)新材料的勘探和開(kāi)發(fā)，為人類(lèi)社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展提供更多支持和參考。

2.5工藝方面

凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展建立在新技術(shù)及傳統(tǒng)工藝優(yōu)化進(jìn)程當(dāng)中。如上文提到的離子束技術(shù)，能夠?qū)Σ牧媳砻娴南嗷プ饔眠M(jìn)行分析。針對(duì)處于溫度較低的條件下，能夠建設(shè)成為不同的材料。因此可以廣泛應(yīng)用于高性能、功能豐富的薄膜當(dāng)中，從而形成全新的材料。另外，激光技術(shù)的提出為科學(xué)研究帶來(lái)了諸多發(fā)展契機(jī)。如激光拉曼光譜與XRD技術(shù)的有機(jī)整合，能夠幫助我們重新認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為半導(dǎo)體的進(jìn)一步探索提供相應(yīng)的技術(shù)支持。外延作為一種制作單晶薄膜的技術(shù)，其之所以能夠發(fā)展起來(lái)，究其根本是在凝聚態(tài)物理學(xué)的支持存在密不可分的聯(lián)系。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)技術(shù)將會(huì)提出更高要求。因此還應(yīng)加大對(duì)全新工藝的研究，與此同時(shí)，加大對(duì)現(xiàn)有工藝不足和缺陷的優(yōu)化和改正，進(jìn)而為實(shí)踐研究做好充分的準(zhǔn)備。

3結(jié)論

根據(jù)上文所述，針對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)與材料的研究，本文從不同的方面給予了分析和論述，匯總起來(lái)能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該學(xué)科的研究貫穿著簡(jiǎn)單到復(fù)雜這條主線。因此，在未來(lái)研究中，專(zhuān)家和學(xué)者要從實(shí)際情況入手，結(jié)合現(xiàn)有理論研究成果，針對(duì)尚未成熟的領(lǐng)域，要堅(jiān)持由簡(jiǎn)及難原則，從獨(dú)特的角度進(jìn)行思考和論證，同時(shí)加大對(duì)新工藝、新材料的研究力度，對(duì)不同元素進(jìn)行融合處理，不斷豐富理論研究成果，創(chuàng)新更多性能更好的材料，為人類(lèi)生產(chǎn)和生活提供更多支持，從而促進(jìn)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域又好又快發(fā)展。endprint