2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——超晶格與熱電材料在物理學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。每小題3分，共30分）1.與體材料相比，超晶格結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是（）。A.具有單一的能帶結(jié)構(gòu)B.具有分立的能級(jí)結(jié)構(gòu)C.能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性調(diào)制D.電阻率僅由載流子濃度決定2.制備超晶格材料最常用的物理方法是（）。A.溶膠-凝膠法B.氣相沉積法C.晶體生長(zhǎng)法（如MOCVD、MBE）D.高溫?zé)Y(jié)法3.當(dāng)超晶格周期L與電子的有效德布羅意波長(zhǎng)λe滿足L>λe時(shí)，其主要表現(xiàn)為（）。A.類似于無(wú)限深勢(shì)阱B.類似于粒子在無(wú)限寬的勢(shì)壘中運(yùn)動(dòng)C.能帶發(fā)生明顯的周期性調(diào)制D.量子隧穿效應(yīng)顯著4.在理想情況下，提高熱電材料電導(dǎo)率（σ）的主要途徑是（）。A.增加材料的熱導(dǎo)率（κ）B.降低材料的熱導(dǎo)率（κ）C.提高材料的塞貝克系數(shù)（S）D.增加材料的塞貝克系數(shù)（S）和電導(dǎo)率（σ），同時(shí)降低熱導(dǎo)率（κ）5.下列哪種效應(yīng)是熱電材料產(chǎn)生電壓的根本原因？（）A.熱導(dǎo)率B.塞貝克系數(shù)C.珀?duì)柼禂?shù)D.湯姆遜系數(shù)6.熱電優(yōu)值ZT=(S2σ/κ)T的無(wú)量綱化因子T代表（）。A.絕對(duì)溫度B.比熱容C.能隙寬度D.載流子遷移率7.在熱電致冷器的工作端，當(dāng)一個(gè)熱電流流過(guò)時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)生（）。A.熱量從冷端流向熱端B.熱量從熱端流向冷端C.電壓僅出現(xiàn)在冷端D.電壓僅出現(xiàn)在熱端8.下列哪種材料通常被認(rèn)為是優(yōu)良的熱電材料？（）A.金屬（如銅、銀）B.絕緣體（如金剛石）C.高溫超導(dǎo)體D.碲化鉍（Bi?Te?）基合金9.根據(jù)能帶理論，提高半導(dǎo)體熱電材料電子電導(dǎo)率的主要途徑是（）。A.增加材料的能帶寬度B.減小材料的能帶寬度C.增加材料的有效質(zhì)量D.減小材料的有效質(zhì)量10.超晶格作為低維結(jié)構(gòu)，其主要物理優(yōu)勢(shì)之一在于（）。A.完全絕緣，電阻無(wú)限大B.可以顯著量子限域效應(yīng)，調(diào)控電子態(tài)密度和輸運(yùn)特性C.熱導(dǎo)率比體材料顯著降低D.制備成本極低二、填空題（請(qǐng)將答案填在題后的橫線上。每空3分，共30分）1.超晶格是由兩種或兩種以上不同半導(dǎo)體材料沿______方向做周期性排列構(gòu)成的人工周期性結(jié)構(gòu)。2.當(dāng)超晶格周期L與電子的有效德布羅意波長(zhǎng)λe滿足L<λe時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為_(kāi)_____。3.熱電效應(yīng)包括塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)和______效應(yīng)。4.熱電材料中，載流子的______和______是影響其熱電性能的關(guān)鍵物理參數(shù)。5.為了提高熱電材料的ZT值，通常需要通過(guò)______工程來(lái)降低晶格熱導(dǎo)率。6.珀?duì)柼?yīng)描述的是在恒定電流通過(guò)熱電材料時(shí)，在材料的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生______的現(xiàn)象。7.超晶格能帶結(jié)構(gòu)的周期性調(diào)制，本質(zhì)上源于不同組分材料具有不同的______和______。8.熱電材料的熱導(dǎo)率κ主要來(lái)源于______的輸運(yùn)。9.當(dāng)熱電流流過(guò)熱電材料時(shí)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為_(kāi)_____效應(yīng)。10.超晶格的出現(xiàn)，使得物理學(xué)研究能夠深入到______和______等量子尺度效應(yīng)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每題10分，共40分）1.簡(jiǎn)述超晶格與體材料在能帶結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別，并說(shuō)明這種區(qū)別如何影響其電子輸運(yùn)特性。2.簡(jiǎn)述熱電效應(yīng)的物理機(jī)制，并說(shuō)明提高熱電材料性能（以制冷效果為例）需要從哪些方面入手。3.解釋什么是能谷效應(yīng)，并說(shuō)明它在影響半導(dǎo)體熱電材料電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率方面扮演了什么角色。4.簡(jiǎn)述熱電材料在廢熱回收利用方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。四、計(jì)算題（請(qǐng)寫出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程。每題15分，共30分）1.一塊理想P型超晶格，由周期L=50nm的GaAs/AlAs交替層構(gòu)成。假設(shè)在溫度T=300K下，電子在GaAs層的有效質(zhì)量me*=0.067m?，在AlAs層的有效質(zhì)量me*=0.15m?（m?為電子靜止質(zhì)量），電子在GaAs層的遷移率μ?=8500cm2/Vs，在AlAs層的遷移率μ?=400cm2/Vs。忽略界面勢(shì)壘和散射效應(yīng)，試定性畫出該超晶格的電子能帶結(jié)構(gòu)示意圖（只需畫出導(dǎo)帶底附近），并簡(jiǎn)述與體GaAs材料能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別。2.一塊熱電材料樣品，在300K溫度下測(cè)得塞貝克系數(shù)S=-200μV/K，電導(dǎo)率σ=1.0×10?S/m，熱導(dǎo)率κ=1.5W/(m·K)。試計(jì)算該材料在此溫度下的熱電優(yōu)值ZT。如果通過(guò)某種方法將該材料的熱導(dǎo)率降低到0.5W/(m·K)，其他參數(shù)不變，ZT值將如何變化？（無(wú)需計(jì)算具體數(shù)值，只需定性說(shuō)明）---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.D5.B6.A7.A8.D9.D10.B二、填空題1.一維2.類似于無(wú)限深勢(shì)阱3.湯姆遜4.電導(dǎo)率；熱導(dǎo)率5.聲子散射6.溫差（或電壓）7.帶隙寬度；有效質(zhì)量8.聲子（或晶格振動(dòng)）9.熱電（或塞貝克）10.納米；微觀三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：超晶格具有周期性勢(shì)場(chǎng)，導(dǎo)致能帶發(fā)生調(diào)制，形成能谷、能脊結(jié)構(gòu)，能帶寬度隨位置變化。體材料的能帶是連續(xù)的，具有固定的能帶結(jié)構(gòu)和寬度。能帶結(jié)構(gòu)的改變直接影響電子在材料中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和散射機(jī)制。超晶格的能谷效應(yīng)和能帶彎曲可以顯著影響電子的有效質(zhì)量和遷移率，從而調(diào)控電導(dǎo)率、介電常數(shù)等輸運(yùn)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，這是體材料通常不具備的。2.解析思路：熱電效應(yīng)本質(zhì)是載流子輸運(yùn)與熱運(yùn)動(dòng)相互耦合的結(jié)果。塞貝克效應(yīng)是溫度梯度產(chǎn)生電勢(shì)；珀?duì)柼?yīng)是電流通過(guò)產(chǎn)生溫度差；湯姆遜效應(yīng)是電流通過(guò)溫度梯度的材料產(chǎn)生附加電勢(shì)或溫度差。提高熱電性能（制冷）需要：1)提高塞貝克系數(shù)S，使溫差ΔT更大；2)提高電導(dǎo)率σ，使制冷功率P更高（P∝σS2ΔT）；3)降低熱導(dǎo)率κ，減少熱量反向傳導(dǎo)（減少散熱），使效率更高。綜合來(lái)看，理想目標(biāo)是高S、高σ同時(shí)低κ，即高ZT值。3.解析思路：能谷效應(yīng)是指半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底不是單一的重心對(duì)稱點(diǎn)，而是由多個(gè)位于不同位置（能谷）的鞍點(diǎn)構(gòu)成。不同能谷的電子具有不同的有效質(zhì)量和散射特性。在電場(chǎng)或溫度梯度下，電子傾向于優(yōu)先從散射較弱、有效質(zhì)量較小的能谷中輸運(yùn)。能谷效應(yīng)對(duì)電導(dǎo)率有顯著影響（電子主要占據(jù)低遷移率的能谷時(shí)，整體遷移率降低），并影響熱導(dǎo)率（不同能谷對(duì)聲子散射的貢獻(xiàn)不同）。通過(guò)調(diào)控能谷結(jié)構(gòu)（如材料組分、摻雜、應(yīng)力）可以優(yōu)化熱電性能。4.解析思路：熱電材料可以將廢熱（通常溫度不高，難以用傳統(tǒng)熱機(jī)利用）直接轉(zhuǎn)化為電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為低溫差（如10-50°C）的冷量，用于制冷或驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)。這使得在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、汽車尾氣、地?zé)?、深海等?chǎng)所產(chǎn)生的低品位廢熱可以被有效回收利用，轉(zhuǎn)化為有用能源或改善環(huán)境，具有巨大的節(jié)能減排和資源化利用潛力。四、計(jì)算題1.解析思路：*第一部分：能帶結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)有效質(zhì)量的大小判斷，GaAs層的導(dǎo)帶底應(yīng)低于AlAs層的導(dǎo)帶底。由于是周期性結(jié)構(gòu)，能帶在界面處會(huì)發(fā)生連續(xù)的調(diào)制和彎曲，形成能谷和能脊。在GaAs層內(nèi)，能帶相對(duì)平滑地下降；在AlAs層內(nèi)，能帶相對(duì)陡峭地下降。在界面處，能帶出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。由于是P型，價(jià)帶頂也存在相應(yīng)的變化。示意圖應(yīng)能體現(xiàn)這種周期性的彎曲和不同層內(nèi)能帶形狀的差異。*第二部分：區(qū)別說(shuō)明。體材料的能帶是連續(xù)的，具有固定的能帶寬度（由材料決定）和形狀。超晶格的能帶是周期性調(diào)制的，其能帶形狀和寬度在空間上變化，存在能谷和能脊，且能帶參數(shù)與位置有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)使得超晶格材料表現(xiàn)出體材料所不具備的獨(dú)特電子輸運(yùn)和光學(xué)性質(zhì)。2.解析思路：*第一部分：定性分析ZT變化。ZT=(S2σ/κ)T。已知S、σ、κ和T均不變，因此ZT值是一個(gè)定值，不會(huì)發(fā)生變化。降低熱導(dǎo)率κ，雖然會(huì)提高