介观物理学

介绍物理学是凝聚态物理学的一个分支学科，研究的是中等尺寸的材料。 这些材料的尺寸介于原子数量（例如分子）的纳米级和测量微米的材料之间。 下限也可以定义为单个原子的大小。 微米级别的是散装材料。 介观和宏观物体都包含许多原子。 成分材料的平均特性描述了宏观物体，因为它们通常遵循经典力学定律，而介观物体则相反，受平均值附近的热波动影响，其电子行为可能需要在量子力学层面进行建模 .

一个宏观电子设备，当缩小到一个中等尺寸时，开始揭示量子力学特性。 例如，在宏观层面上，导线的电导率随着其直径的增加而不断增加。 然而，在介观层面上，导线的电导是量化的：增加发生在离散的或单独的整个步骤中。 在研究过程中，通过实验和理论构建、测量和观察细观器件，以促进对绝缘体、半导体、金属和超导体物理学的理解。 介观物理学的应用科学涉及构建纳米设备的潜力。

介绍物理学还解决了宏观物体微型化时发生的基本实际问题，就像半导体电子学中晶体管的微型化一样。 当材料的尺寸接近纳米级时，材料的机械、化学和电子特性会发生变化，其中材料表面的原子百分比变得非常重要。 对于大于一微米的块状材料，表面原子的百分比相对于整个材料中的原子数而言是微不足道的。 该分支学科主要研究金属或半导体材料的人造结构，这些结构是通过用于生产微电子电路的技术制造的。

介观物理学没有严格的定义，但研究的系统通常在 100 nm（典型病毒的大小）到 1 000 nm（典型细菌的大小）的范围内：100 纳米是一个近似的上限 纳米粒子。 因此，细观物理学与纳米制造和纳米技术领域有着密切的联系。 纳米技术中使用的设备是介观系统的例子。 这种系统中的三类新电子现象是干涉效应、量子限制效应和充电效应。

量子限制效应根据能级、势阱、价带、导带和电子能带隙来描述电子。

体介质材料（大于 10 nm）中的电子可以用能带或电子能级来描述。 电子存在于不同的能级或能带。 在散装材料中，这些能级被描述为连续的，因为能量差异可以忽略不计。 当电子稳定在不同的能级时，大多数电子在低于禁止能级的价带中振动，称为带隙。 该区域是不存在电子态的能量范围。 少量的能级高于禁带，这就是导带。

一旦粒子的直径与电子波函数的波长大小相同，就可以观察到量子限制效应。 当材料这么小时，它们的电子和光学性质与大块材料的性质大不相同。随着材料向纳米级微型化，限制尺寸自然会减小。

这些特征不再按体积平均，因此是连续的，而是处于量子水平，因此是离散的。 换句话说，能谱变得离散，以量子测量，而不是像散装材料那样连续。 结果，带隙自我肯定：能级之间存在小而有限的分离。 这种离散能级的情况称为量子限制。

此外，量子限制效应由可能在两种不同半导体材料之间的图案化界面处形成的孤立电子岛组成。 电子通常被限制在称为量子点的圆盘状区域。 如上所述，这些系统中电子的限制显着改变了它们与电磁辐射的相互作用。

由于量子点的电子能级是离散的而不是连续的，因此向量子点添加或减去几个原子会产生改变带隙边界的效果。 改变量子点表面的几何形状也会改变带隙能量。