凝聚态物理学与材料研究的前沿问题

凝聚态物理学与材料研究的前沿问题

作者：马明毅

来源：《科学家》2016年第13期

摘要近年来，随着社会经济快速发展，学术界对各个学科加大了研究力度。凝聚态物理学与材料科学交叉取得了丰富的研究成果，为相关领域发展带来了诸多发展机遇。本文从凝聚态物理学与材料概念入手，从表面等角度深入探讨凝聚态物理学与材料研究前沿问题，为未来学科发展提供参考。

关键词凝聚态物理学；材料；前沿问题

中图分类号 04 文献标识码 A 文章编号2095—6363（2016）13—0003—02

材料科学与物理学之间存在密切的联系，物理学作为一门基础性学科，在人类社会发展过程中占据至关重要的位置。同时，材料科学遇到的难题吸引着物理学家分析和研究，因此，物理学与材料学深度结合形成了一门交叉学科。其中凝聚态作为物理学的一部分，加强对其与材料研究前沿问题的研究能够为学者后续研究提供更多支持，且能够在很大程度丰富研究成果。

1凝聚态物理学与材料概述

凝聚态物理学，是指研究凝聚态物质的物理性质、微观结构等之间的关系。简而言之，通过对构成凝聚态物质电子、离子等运行形态、规律进行探索，充分认识物质的物理性质。随着研究不断深入，针对凝聚态物理学的研究已经由初级层面朝着高级层面发展。如有固体形态向外拓展上升至液氮、熔盐等液态物质，甚至还有气态物质。另外，随着技术的发展，一些全新的概念体系逐渐渗透，产生了更多新的研究成果，赋予材料新特点，在很大程度上帮助学者解决疑难问题提供了极大的支持。

就广义角度来看，材料是帮助人类生产和生活，制造有用器件的物质。随着人类社会发展，自然资源和能源日益减少，对于材料概念的理解也发生了变化，因此材料是人类社会能够接受、且经济性地创造有用器件的物质，更加强调资源、环境等因素。从实用层面来划分，材料分为金属、无机及有机3种。

2凝聚态物理学与材料研究前沿问题分析

2.1表面与界面方面

表面与界面作为物理学与材料学交叉的重要领域，很多相互作用都建立在材料表面和界面基础之上。物体自身状态直接决定材料热力学效应。作为重点研究领域，界面与表面是当今该领域研究的一大难点。凝聚态物理学研究成果，在很大程度上为材料界面与表面理论发展提供了支持，如离子束的提出，使得人们自20世纪60年代开始运用离子束，注入到材料表面，对

材料表面特性进行优化和调整，使其在具体实践中能够更好地发挥积极作用，为人们生产和生活提供便利。

催化和腐蚀是表面控制的2个主要过程。截止到今天，催化和腐蚀机理尚未得到完善的研究成果。此外，薄膜功能材料的提出，也成为该领域研究的重点。如光的干涉效应能够引起透射和反射。表面与界面在为电子学方面也具有非常重要的作用，如半导体和金属界面等，能够对器件性能的发挥产生不同程度的影响。综合来看，表面和界面的研究处于前沿地位，且每个关键问题的有效解决都能够给相关领域带来巨大的经济价值。

2.2微结构方面

凝聚态物理学很多基本理论，如固体能带理论、元级法理论等都是建立在粒子数无限大基础之上。这些理论证明了铜、铝具有导电性，为实践生产奠定了理论基础。现如今，运用能带理论，能够对晶体的参量进行计算，并获取准确的结果。由于该项理论非常成熟，要想进一步突破难度非常大。对此要想发现全新的结果，需要从不同的道路着手。正如R.Feynman曾指出“当我们得以对细微尺度的事物进行操控，将会在很大程度上拓展我们获得的范围”，其所要强调的是未来新材料的发展和研究动向，即通过设计和控制材料在细节上的差异性，从而在现有材料中探索出意想不到的物理性能。

2.3理论与模型方面

理论与模型对材料科学贡献较大。计算物理学是材料科学家运用的主要工具，定量模型的发展是物理学与材料科学交叉的产物，通过构建模型能够对物品的物理性质等进行分析和了解。目前，很多物理学概念在材料研究中应用较广。如相变、裂变等，与之相对应的仪器设备也层出不穷。如今空间分辨率能够在特定环境下观察到单个原子，因此可以说，没有这些研究成果，材料科学就不能够获得更大的进步。但是微结构的定量描述始终是材料科学的主要课题，也是物理学家和材料学家合作的重点方向。

2.4材料方面

凝聚态理论日渐完善，使得我们能够更加明确材料的物理特性，但是随着人类社会的发展，仍然面临着很多疑难问题。如强关联体系中的材料宝藏。电子关联，是电子之间形成的库仑作用。就现有理论研究成果来看，处理固体电子系统时，需要适当忽略电子之间的相互作用，在理想条件下进行研究。但得出的结论依旧不能够掩盖这一缺陷，且不能够适用于实践当中。可见，电子之间的库伦作用关联重要性受到了广泛关注。

通常来说，强关联物质存在于特定范围当中，如金属与绝缘体界限附近，即电子处于完全离域化拓展状态。因此要想实现对电子具体状态的有效判断，研究人员需要从其他方面入手，分析各个元素之间的关系，然后对其形态进行排序，最后获取到相应的规则。值得关注的是，现阶段，我们针对强关联体系的认知水平处于初级阶段，无论是理论、还是实践方面都有待进

一步深入。而从材料方面来说，多元复杂结构的氧化物尚未得到开发和研究，因此，可以将此作为未来全新的研究课题，并利用强关联理论，进而实现对新材料的勘探和开发，为人类社会进一步发展提供更多支持和参考。

2.5工艺方面

凝聚态物理学发展建立在新技术及传统工艺优化进程当中。如上文提到的离子束技术，能够对材料表面的相互作用进行分析。针对处于温度较低的条件下，能够建设成为不同的材料。因此可以广泛应用于高性能、功能丰富的薄膜当中，从而形成全新的材料。另外，激光技术的提出为科学研究带来了诸多发展契机。如激光拉曼光谱与XRD技术的有机整合，能够帮助我们重新认识晶体结构，进而为半导体的进一步探索提供相应的技术支持。外延作为一种制作单晶薄膜的技术，其之所以能够发展起来，究其根本是在凝聚态物理学的支持存在密不可分的联系。随着社会进步，人们对技术将会提出更高要求。因此还应加大对全新工艺的研究，与此同时，加大对现有工艺不足和缺陷的优化和改正，进而为实践研究做好充分的准备。

3结论

根据上文所述，针对凝聚态物理学与材料的研究，本文从不同的方面给予了分析和论述，汇总起来能够发现，对于该学科的研究贯穿着简单到复杂这条主线。因此，在未来研究中，专家和学者要从实际情况入手，结合现有理论研究成果，针对尚未成熟的领域，要坚持由简及难原则，从独特的角度进行思考和论证，同时加大对新工艺、新材料的研究力度，对不同元素进行融合处理，不断丰富理论研究成果，创新更多性能更好的材料，为人类生产和生活提供更多支持，从而促进我国相关领域又好又快发展。