1、量子环：纳米世界的独特探索

量子环：纳米世界的独特探索

固体物理与半导体的发展历程

20世纪30年代末，随着电子能带结构理论的提出，固体物理学发展成为一门独立的学科。该理论的有效边界条件是假设存在一个无限延伸且无缺陷、界面或表面的晶体。几乎与此同时，一维势阱中粒子的量子力学问题首次得到解决。

直到十年后，半导体才被公认为一类重要的固体材料，尽管其起源可以追溯到19世纪。1874年，阴极射线管的发明者费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun）撰写了关于“硫 - 金属中的电流传导”的论文，该论文的主题后来被命名为“肖特基二极管”。1947年，威廉·肖克利（William Shockley）及其同事发明了晶体管，1951年，海因里希·韦尔克（Heinrich Welker）开发了III - V族化合物，这些成果对现代多目标技术的发展起到了决定性作用，如今太阳能电池、微处理器和半导体激光器等设备已广泛融入我们的日常生活。

异质结构，如半导体/半导体或半导体/绝缘体结构（如Si/SiO₂），从一开始就是晶体管等设备的重要组成部分。随着基于III - V族的异质结构的出现，不仅为发光设备提供了基础，还催生了高效的光捕获设备，这极大地拓宽了众多设备和系统的材料基础。科学界开始系统地探索“化学工程”，并在1985年和2000年两次因Si和III - V族异质结构的物理学研究获得诺贝尔奖。然而，不同化学成分材料组合的极限受到不同材料晶格常数变化的控制。如果这种差异过大，就会出现位错等缺陷，导致器件性能下降。因此，到20世纪80年代末，人们对“化学工程”的最初热情迅速消退，几乎只有“晶格匹配的异质结构”被认为是有用的，这极大地限制了III - V族应用或基础物理研究可用的结构范围。

纳米结构的兴起