第二講：電磁場與物質(zhì)的相互作用-853108061

黃翊東Tel:62797396Email:yidonghuang@電磁場與物質(zhì)的相互作用-電子信息科學技術(shù)導引第二講-電子信息科學的知識體系各種各樣的電子系統(tǒng)個人移動通信導航相控陣雷達傳感器網(wǎng)絡衛(wèi)星通信光纖通信系統(tǒng)微帶天線構(gòu)成電子系統(tǒng)的各種器件探月測控編碼模塊摻鉺光纖放大器DFB激光器語音信號處理電路系統(tǒng)LowpowerdesignisaMUST,since……增加便攜式電器的待機時間移動及手持設(shè)備市場迅速增長熱問題嚴重影響封裝技術(shù)和成本散熱困難風扇產(chǎn)生噪聲增加成本未來微電子芯片的研究光群速度調(diào)控

普通介質(zhì)

光子晶體

新型光電子器件光群速度調(diào)控

普通介質(zhì)

光子晶體

新型光電子器件相控陣雷達各種器件的物理基礎(chǔ)物質(zhì)電磁場相互作用

中學的課本告訴我們：電荷周圍存在這一種叫電場的物質(zhì)電荷處在電場中要受到電場力的作用電磁場與物質(zhì)的相互作用構(gòu)成所有器件的物理基礎(chǔ)物質(zhì)就是由原子核、電子等電荷的載體構(gòu)成的各種器件的物理基礎(chǔ)物質(zhì)電磁場相互作用

共振作用

非共振作用關(guān)于電磁場……變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系在一起的，形成一個不可分離的統(tǒng)一的場周期性變化的電場周圍產(chǎn)生磁場，這個磁場也是周期性變化的，而且變化的頻率與電場相同，這個變化的磁場又會產(chǎn)生同頻率變化的電場……中學的課本告訴我們：關(guān)于電磁場……變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場和磁場總是相互聯(lián)系在一起的，形成一個不可分離的統(tǒng)一的場周期性變化的電場周圍產(chǎn)生磁場，這個磁場也是周期性變化的，而且變化的頻率與電場相同，這個變化的磁場又會產(chǎn)生同頻率變化的電場……中學的課本告訴我們：關(guān)于電磁場……任何隨時間而變化的電場，都要在鄰近空間激發(fā)磁場，充滿變化電場的空間，同時也充滿變化的磁場。二者互為因果，形成電磁場。電場與磁場并不是兩個可分離的實體，而是由它們形成了一個統(tǒng)一的物理實體。在電場和磁場之間存在著最緊密的聯(lián)系。在電磁場內(nèi)，電場可以不因為電荷而存在，而由于磁場的變化而產(chǎn)生，磁場也可以不是由于電流的存在而存在，而是由于電場變化所產(chǎn)生。電磁場可以存在于這樣的空間范圍內(nèi)，該處即沒有電荷，也沒有電流，而且也沒有任何物體。電場與磁場之間的聯(lián)系，不僅使電磁場在沒有電荷和電流時能夠存在，而且使這個場能夠不通過導體在空間傳播。赫茲實驗（1887）Hz—頻率的單位電磁場的空間傳播1901年—無線電報穿越大西洋！描述電磁波的物理量頻率波長相位模式（空間分布）偏振光子學(Photonics)電子學(Electronics)不同頻段的電磁波……光電子器件電子器件THz技術(shù)麥克斯韋方程組

麥克斯韋

(1831－1879)建立起電磁場理論，將電學、磁學、光學統(tǒng)一起來，預言了電磁波的存在。指出光是電磁波的一種形式。在前人成就的基礎(chǔ)上，對整個電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究，憑借他高深的數(shù)學造詣和豐富的想象力對前人和他自己的工作進行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學形式表示出來麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組E:電場

D:

電位移矢量

H:磁場

B:磁感應強度

麥克斯韋

(1831－1879)電子信息科學的知識體系電磁場理論1900年普朗克(MaxPlanck)提出的輻射能量量子概念電磁場的量子理論

普朗克在對黑體輻射實驗進行理論解釋的時候發(fā)現(xiàn),必需大膽地假設(shè):黑體輻射的能量是不連續(xù)的,存在一個最小能量單元,這就是量子。亦稱為能量子電磁場的量子理論

基元動量：基元能量：這種具有基元能量和基元動量的物質(zhì)單元稱為處于某個狀態(tài)（本征模式）的光子光頻段：具有能量E和動量p的實物粒子波長為h/p,頻率為

E/h的波量子理論-態(tài)疊加原理

處于本征態(tài)的疊加存在一系列本征態(tài)

測量時會坍塌到某一個本征態(tài)薛定諤的貓“誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑，那他一定沒聽懂”——波爾

半死不活？不死不活？既死又活？不是發(fā)現(xiàn)，而是決定貓的死活！電子信息科學的知識體系量子物理物質(zhì)……物質(zhì)有三種不同的聚集態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)

溫度升高到幾千度時--等離子體單晶多晶納結(jié)構(gòu)材料晶體非晶體依照原子排列的規(guī)則程度，固體可分為晶體和非晶體晶體內(nèi)的原子(或分子)排列是嚴格有序的Si,Ge的晶體構(gòu)造III-V,II-Vi族化合物的晶體構(gòu)造鉆石結(jié)構(gòu)閃鋅結(jié)構(gòu)晶體特征：規(guī)則的幾何外形，固定的熔點，晶面角守恒，物理性質(zhì)的各向異性構(gòu)成晶體的原子/分子是按一定方式重復排列的最基本的特征：晶體結(jié)構(gòu)的周期性晶體的特性物質(zhì)的微觀世界………硅原子的模型Si+14原子核價電子晶格周期勢場中的電子狀態(tài)特點：電子穿透到其他原子,不再束縛于一個原子周期勢場“準自由”電子晶體材料的能帶結(jié)構(gòu)E（能量）

k（動量）動量：能量：沒有周期勢場晶體材料的能帶結(jié)構(gòu)各能帶內(nèi)包含的能級數(shù)正好等于晶格原胞數(shù)N,當N很大時,相應的能級很密集并成為準連續(xù)狀態(tài),稱作能帶E(k)1234k05價帶導帶能隙(禁帶)能帶沒有周期勢場導體、半導體、絕緣體能帶論:滿帶電子不導電,部分填充帶可導電半導體最高的滿帶的電子容易被激發(fā)到上面的空帶，從而使兩個帶皆變成未滿帶，產(chǎn)生一定的導電性禁帶寬度Eg<2eVkE導體kE絕緣體

kE納米材料(nanoscienceandtechnology,NanoST)公認1959年由RichardP.Feynman(1964年的諾貝爾物理獎得主)提出的“Thereisaplentyofroomsatthebottom”一般是指1nm到100nm之間納米尺度1納米(1nm)=10-9米1nm約十個氫原子納米材料與結(jié)構(gòu)碳納米管20nmZnO量子點

25nm納米線NaturePhotonicCrystals3D1D2D

dzyx光子晶體由介電常數(shù)不同的介質(zhì)材料在空間周期性排列而構(gòu)成,變化周期為波長量級光子晶體的光帶結(jié)構(gòu)圖波數(shù)k頻率ww=ck/n普通介質(zhì)中w~k

的線性關(guān)系光子晶體中的

w~k關(guān)系

頻率wKKMG負折射率kE量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu)體材料量子阱材料kE電子信息科學的知識體系固體物理電磁場與物質(zhì)的相互作用感應電偶極子E(r,t)E’(r,t)產(chǎn)生感應電偶極子的場就是電偶極子所產(chǎn)生的場-自洽場-電磁場與物質(zhì)的相互作用感應電偶極子E(r,t)E’(r,t)非共振作用：電子沒有發(fā)生躍遷，沒有輻射和吸收

共振作用：電子發(fā)生躍遷，發(fā)生了輻射和吸收Einstein躍遷理論——

二能級原子E2自發(fā)躍遷

→自發(fā)輻射受激躍遷→受激吸收E1受激輻射hu=E2-E1hu=E2-E1輻射與吸收各種器件的物理基礎(chǔ)物質(zhì)電磁場相互作用