材料物理专业

材料物理专业

所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。以材料学、物理学两方面为重点。

材料物理学科简介

材料物理学科于1996年获得硕士学位授予权，1998年获得博士学位授予权。本学科现有教授9人，副教授7人。其中博士生导师8人（挂靠材料物理与化学）。主要研究方向为：纳米物理及纳米技术、低维物理与介观物理、计算材料物理、材料物理、凝聚态物理理论。目前在读博士20余人，硕士10余人。

一、纳米物理及纳米技术112室

纳米结构中的各种元激发与尺度、形状、成份、微结构、界面等有显著的关联，其量子隧穿、库仑阻塞、激子限域、光子限域和各种非线性耦合等量子效应导致的多种优异电学、光学性能是制造新一代纳米晶体管、存储器、传感器、光电器件、纳米激光、光子导线、光子开关、发光显示器件的物理基础。纳米结构有不同于体材料的各种性能，大量纳米结构所显示的各种新异物理现象涉及到力、热、光、电、磁等物理学的各个方面，对其机理的探索是目前凝聚态物理的研究热点之一。通过研究纳米结构的维度、尺度、界面、微结构等因素对物理性能的影响，发现新的物理现象，并寻找基础性科学规律。在此基础上构建与现代微电子技术相兼容的微纳器件，实现其在信息和

生命科学中的作用。例如自组织生长量子点激光器、纳米线阵列激光器、一维纳米线的传感器、自旋量子耦合结构、光子晶体放大器、量子点生物标记等多种纳米结构与器件都具有潜在的巨大应用价值。作为纳米科学技术的重要组成部分，纳米物理与器件对于推动纳米科学技术的进步具有重要作用。我们相关课题组在上述领域研究多年，已在简单纳米结构材料体系和单一特性的纯基础、复杂系统和综合性质的基础研究和器件集成等方面取得了一系列成果。在各种纳米结构快速制作、纳米电路集成、纳米晶体管（碳纳米管单电子晶体管）、纳米存储、纳米线传感、纳米体系电子结构与微观光谱学、纳米结构发光机理与微结构、纳米微晶的生物标记、纳米线激光（低域值）与波导、纳米微结构与物性关系、纳米变色材料及机理、纳米磁性控制和应用等多个方面都取得了突出的进展，例如所研制出的超敏感库仑计清楚探测到了其中的单电子过程，可用于纳米器件检测。这些成果表明本方向在纳米物理与器件、纳米结构光电集成、纳米技术与新器件设计和生物交叉的理论方面和实际应用已奠定了深厚基础。

本方向研究人员一直从事纳米物理与器件的研究，获得了系列研究成果，仅在Phys.Rev.B、Appl.Phys.Lett.、JACS、Ang.Chime.、Adv.Mater. CM等国际一流杂志上发表论文就达60余篇，其中在Appl.Phys.Lett.上发表的文章有50余篇，被SCI、EI收录达330余篇，他引次数超过千次，并获得多项专利授权。带头人和骨干中有一位是杰出青年基金获得者，有三位曾经是中科院百人计划入选者，多次多人承担了国家和部委的重大项目：国家杰出青年基金项目、国家

973项目、国家863项目、国家自然科学基金重点项目及面上项目，并获好评。此外本方向研究人员与国内外一些著名的科研院所建立了密切的合作关系，为今后的学科发展奠定了坚实的基础。

二、低维物理与介观物理专

以量子点、量子线、纳米管、量子阱、超晶格、分子纳米结构等为代表的低维量子体系的物理性质的研究是当前凝聚态领域的重要

的前沿研究方向。由于低维量子体系的特征尺寸在纳米量级上，其显著的量子效应和统计涨落特性带来一系列新的物理问题，这就要求人们探索其新的机理。低维量子结构的很多性质对很宽范围的材料包括半导体、金属和绝缘体等是类似的，从而导致这个领域的强劲的交叉研究特征。具有特殊功能的量子光电子器件，如量子阱和量子点激光器，具有大开关比和负微分电阻、以分子为活性元件的分子开关等，具有广阔的应用前景。因此，无论从纯科学的角度，还是从技术的角度，低维量子体系提供了一个迷人的研究领域，越来越受到广大科学工作者的关注。

虽然一系列新的物理现象已被人们所揭示和研究，但是，许多新效应及其机理有待发掘和澄清，理论处理上除了一些唯象或半唯象的描述以外，人们至今对低维量子体系的基本规律还没有一个从微观结构到宏观效应的系统认识。本研究方向着眼于低维量子体系这一层次上的新现象和新效应的发现、新原理的探索及其可行的应用。将从量子力学原理出发，采用多种理论分析手段和计算模拟，研究其电子输运、热输运及其相关光学性质。着重探讨量子效应、界面效应、掺杂

和缺陷、内部结构与外界环境的接触和耦合效应及外场对这些物理量的影响，阐明结构的组成、材料性质与这些物理量之间的关系，建立和发展计算纳米尺度下载流子输运特性的模型与方法；预测和解释其中的新效应和新现象，为新型量子器件的设计提供理论依据和指导。

本方向的研究人员在低维量子体系的电子输运、热输运以及强关联电子体系等方面做出了一些有影响的工作，受到国内外同行的关注。到目前为止，已在Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等国际有影响的学术期刊上发表了60余篇学术论文(SCI),其中在Phys. Rev. B上发表的文章有12篇。主持了国家自然科学基金重大研究计划面上项目、参加了国家科技部973计划课题等国家及部省级重要项目研究，与国内外一些著名的相关领域的研究组建立了密切合作研究关系，为进一步的研究打下了良好的基础。共

研

三、计算材料物理kaoyangj

由于量子尺寸效应、体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应，纳米结构材料展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。纳米结构的独特性能为克服材料科学研究及相关领域中长期未能解决的问题开辟了新的途径。利用原子模拟技术对纳米材料的微观结构及相应物性进行探讨有助

于从本质上更深入地理解和解释实验现象, 一方面可在原子尺度阐

述纳米材料的结构与性能的关系, 另一方面则可利用微观结构的设

计与控制, 发展具有新颖性能的纳米材料与器件, 拓宽纳米材料的

应用领域, 具有重要的理论意义和广阔的应用前景。同济大学四平

路

我们围绕分析型嵌入原子模型（EAM）展开了一系列系统而深入

的研究工作。发展完成了典型金属的分析型EAM多体势的构筑，模拟研究了多种晶体缺陷的特征，晶格振动和热物性等基本物性，表面振动特性，对纳米金属与合金的晶界结构特征和物理性能及力学性能，典型金属间化合物的缺陷特性和扩散性能，二元合金的热性能和表面聚集等进行了系统的计算。所发展的分析型EAM理论不仅能有效预测纯金属的基本物性和晶体缺陷特性，而且在合金性能预测方面显示出无比的优势，结合Monte Carlo方法或分子动力学方法可预测各类系合金的多种物理性质和各类晶体缺陷特性。我们所发展的原子模拟方法可应用于数百万乃至上亿原子的系统，特别适合于纳米结构的研究。我们还对液态金属凝固过程进行了系统的模拟计算，采用分子动力学方法，对含有400000个Al原子的液态金属大系统在凝固过程中纳米级大团簇结构的形成、演变特性进行模拟研究，并预测了不同结构特征的团簇对后续凝固过程和组织的影响。利用第一原理方法还对高温合金、金属间化合物、金属/陶瓷界面等的微观机理进行了研究以提

高高温结构材料的性能。同时我们还发现了Berry位相与磁极附近运动的磁偶极子拓扑位相的关系，求得了一个星体内外谐和坐标严格解，发现了正常红血球内外渗透压的改变能导致的的脊峰移动现象，发现Fourier级数形式的Fejér平均形式出现在量子-经典对应