光電信息功能材料與量子物理研究

周舟　陳淵　黃軼瞾

摘要：現就光電信息功能材料的重要性作為研究的基礎，著重就光電信息功能材料和量子物理進行闡述，根據二者之間的關系，提出相關的理論。

關鍵詞：光電信息；功能材料；量子；物理

隨著社會經濟的不斷發展，信息技術的進步，出現了一種光電信息功能材料，所謂信息功能其實就是指信息的傳輸、存儲、接受顯示、控制、產生以及轉換的能力，其主要的技術指標包括：大容量傳輸、多功能、高速度以及低能量的消耗等。近年來，隨著光電信息技術的結合，使信息技術的發展水平越來越高，其傳輸速度已經達到了Gbot，大容量的數碼儲存已經達到了KT級別，實現了聲音、圖像和數據三位一體的功能，有效降低能量的損耗，并逐漸向微觀物理發展。因此，在研究光電信息功能材料的時候，必須要以量子物理作為其支撐。現就光電信息功能材料的重要性作為其研究的基礎，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

在科學技術發展過程中，材料研究一直都是技術發展的先導，同時也是發現和完善科學規律等的重要基礎。人們在生存和發展的過程中，不斷地向物質世界索取財富，而這就是技術和科學發展的最終目標，怎樣才能將這些物質轉化為我們自己的財富，首先要對物質運動的規律進行探索和總結，以此來找尋轉化為物質財富的方法，其前者主要是指科學，后者則是指技術，在這個基礎上來進行材料的研究。

隨著量子論的發展，給予了人們最為直接的啟示就是揭示了原子中電子的運動規律，尤其是原子最外層價的電子運動規律，其中首先開發應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，使電磁場能量的應用逐漸進入到了電子層次微觀物理的范疇內。同時量子論還提出了固體中的電子能帶理論，準確揭示了固體材料中的電子能帶結構的分布規律，從電子運動微觀物理的機制區別了絕緣體、半導體和金屬，開發出了一種新型的半導體材料，使電子學材料逐漸進入到了電子信息功能材料的范疇內。隨著半導體材料的開發和研究，在60～70年代，開始出現了一種電子技術，這種電子技術主要是通過固體電子學器件的更新，形成一種電子氣類型的電子學器件，并在此基礎上發展成為的電子回路集成化技術和電子學器件的小型化，以及目前的超大規模的集成電路以及高速輕巧的電腦，使社會開始向電子技術時代發展，改變了傳統的測量檢測技術、通信技術以及其他的信息處理技術，奠定了信息技術的基礎。

隨著半導體的開發和利用，電子材料的科學地位已經變得越來越重要，研究材料不僅是科學發現的先導，同時也是完善科學的實驗對象，是開發技術的物資基礎，貫穿于科學技術的整個過程。此外，隨著光纖技術的興起，光纖技術和激光技術的結合，為信息技術的發展奠定了一個更為牢固的基礎。由于光集成技術和光存儲技術的牽引。使光子學信息功能材料的開發和研究進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、無機、金屬、有機、靜態、非靜態等學科和技術，使電子計算機發展成為了信息儲存、傳輸和處理等智能工具，推動了信息技術的發展。

2 光電信息功能材料和量子物理的研究

2.1 電子學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，在研究電子學信息功能材料中的量子物理必須要注意以下幾個問題：第一，量子的尺寸效應；第二，量子的共振隧道效應；第三，電子運動的波粒二像性的運動規律。

2.2 光子學信息功能材料和量子物理研究

所謂光子學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的固體材料。隨著光集成技術和光纖技術的不斷發展，這種類型的材料已經成為目前比較常用的光信息功能材料，是目前應用最廣以及發展前景最好的一種材料，就著重對這種類型的材料進行闡述。

2.2.1 光子學信息功能材料的相關物理基礎。隨著光信息技術和光子技術的快速發展，我們在分析這種非晶態的固體材料的時候，應著重從介質和光子之間互相作用的量子物理問題入手，比如，在介質中光運動所遵循的量子運動規律；介質中的光傳輸體系是非相對論性還是相對論性；空氣中的波粒性二像性和在介質中光傳輸的波粒性二像性存在的區別；光子是否存在靜止質量。

2.2.2 光子技術發展提出的相關量子物理問題主要有以下幾點：第一，激光器的轉換效率較為低下，要想解決這一問題，我們可以將光運動行為和電子運動的量子理論進行結合，使光子學信息功能材料同樣具有共振隧道效應、量子尺寸效應，以此提高激光器的轉換效率。第二，光子晶體的問題。在1987的時候，John和Yabdonovitch通過實驗提出，如果周期性介質是人工制造的話，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構，而這種周期介質被稱為光子晶體，同時還預言光子晶體將會是傳輸光的一種半導體，實現對光的人工控制，使光子晶體成為了國內外研究光子學信息功能材料的一個熱點，而要想解決這一問題，首先要了解在介質中光運動的量子規律等問題。第三，多孔硅發光的問題和光耦合問題等。

2.2.3 根據上述中光子學信息功能材料中量子物理的研究，國內外很多的學者都認識到了研究光電信息功能材料時，必須要結合量子物理來進行研究。現就近年來光學信息功能材料中量子物理的研究，提出相關的建議：第一，光在介質中的傳輸物理模型是否一定是電磁波；第二，波動光學主要是指光的電磁場理論，即研究在氣體中和真空中光的傳輸，那么在固體介質中光的傳播是否會成功；第三，量子力學的使用條件必須要有重物質粒子，那么在實際應用過程中，怎樣通過量子物理方程或者其他的定量公式來表示光子等。

3 結束語

綜上所述，光電信息功能材料的開發和研究必須要通過量子物理的支撐，目前光電信息功能材料的研究其實就是指以光波、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。

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作者簡介：周舟（1991，3-），男，江蘇無錫人，學歷本科。

黃軼 （1990，8-），男，江蘇宜興人，學歷本科。

陳淵（1991，10-），江蘇江陰人，男，學歷本科。