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万海青 著

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出版社： 北京理工大学出版社

ISBN：9787568231787

商品编码：29362177935

包装：平装

出版时间：2016-10-01

基本信息

书名：新型功能分子器件设计及性原理研究

定价：42.00元

作者：万海青

出版社：北京理工大学出版社

出版日期：2016-10-01

ISBN：9787568231787

字数：

页码：135

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的**性原理计算方法，较系统地研究了石墨烯、氮化硼及其准一维纳米条带和有机分子及碳链组成的分子器件体系的电子结构与输运性质。从体系的能带结构、态密度、分子能谱及透射谱等出发，对体系的输运特性加以解释。在这些研究的基础上，提出调控功能分子器件电子输运性质的手段和方法，为发展基于纳米电子学的功能分子器件设计提供物理基础。

目录

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章 绪论
1.1 引言
1.2 分子电子学与纳米器件的发展
1.2.1 分子电子学的发展
1.2.2 纳米器件的发展
1.3 分子器件的理论和试验方法
1.3.1 理论方法
1.3.2 实验方法
1.4 新型功能分子器件电极材料
1.4.1 富勒烯、碳纳米管和石墨烯纳米条带
1.4.2 碳单原子链的制备、结构与特性
1.4.3 硼氮纳米条带
1.5 几种典型的分子器件效应
1.5.1 分子开关效应
1.5.2 分子整流效应
1.5.3 负微分电阻效应
1.5.4 自旋过滤效应
1.6 本书的主要研究内容、方法和意义
第2章 理论计算与研究方法
2.1 性原理计算方法简介
2.1.1 波恩一奥本海默绝热近似
2.1.2 Hartree.Fock方法
2.1.3 密度泛函理论
2.2 格林函数方法
2.2.1 平衡格林函数
2.2.2 非平衡格林函数
2.2.3 分子器件中的电流计算
2.3 相关计算程序简介
第3章 苯分子器件开关、双自旋过滤和负微分电阻效应
3.1 引言
3.2 模型与方法
3.3 结果与讨论
3.3.1 苯环一电极不同取向自旋相关伏安特性
3.3.2 不同偏压下自旋输运谱与局域态密度
3.3.3 零偏压下苯环一电极不同取向的自旋输运谱
3.4 本章小结
第4章 含侧基团OPE分子器件双电导、负微分电阻和整流效应
4.1 引言
4.2 模型与方法
4.3 结果与讨论
4.3.1 ZGNR-OPE-C7-ZGNR分子器件伏安特性
4.3.2 零偏压ZGNR-OPE-C7-ZGNR输运谱与分子轨道
4.3.3 有限偏压ZGNR-OPE-C2-7.ZGNR输运谱与分子轨道
4.4 本章小结
第5章 Z形硼氮纳米条带自旋过滤和整流效应
5.1 引言
5.2 模型与方法
5.3 结果与讨论
5.3.1 不同边缘钝化自旋的相关伏安特性
5.3.2 零偏压输运谱与投影态密度图
5.3.3 有限偏压输运谱与分子轨道
5.4 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 本书总结
6.2 本书主要创新点
6.3 后续工作展望
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《微纳尺度材料的量子输运与器件应用》 概述 在当今科学技术的飞速发展中，对材料微观性质的深入理解和精准调控已成为推动科技进步的关键。本书《微纳尺度材料的量子输运与器件应用》聚焦于处于微纳尺度下的材料，探讨其独特的量子输运现象，并深入研究这些现象在新型功能器件设计与实现中的潜能。本书旨在为材料科学、凝聚态物理、微电子工程等领域的科研人员、研究生以及对前沿科技感兴趣的读者提供一个全面而深入的知识框架，引领读者理解微纳尺度材料如何展现出超越经典物理的奇妙行为，以及如何将其转化为具有革命性意义的电子、光电子、热电以及自旋电子器件。 核心内容详解 第一部分：微纳尺度材料的量子输运理论基础 本部分将系统性地介绍理解微纳尺度材料量子输运现象所必需的核心理论。 量子力学基本原理与微观粒子行为： 回顾薛定谔方程、波函数、能量本征态、不确定性原理等量子力学基本概念，并阐述这些概念如何解释微观粒子（如电子）在微纳尺度下的非经典行为，如叠加态和量子隧穿。 固体材料的电子结构理论： 介绍布里渊区、能带理论（如绝缘体、半导体、金属的能带结构）、费米能级以及电子在周期性势场中的运动。重点讲解如何通过能带结构理解材料的导电特性，并为后续讨论量子输运打下基础。 量子输运的基本概念： 朗道尔-普朗切特公式： 介绍该公式在描述单粒子量子输运中的重要性，以及其在计算电导率中的应用。 非平衡格林函数（NEGF）方法： 详细阐述NEGF方法作为一种强大的理论工具，如何处理含缺陷、界面以及外部偏压下的量子输运问题。我们将探讨其基本方程、求解方法以及在描述各种输运现象中的优势。 相干输运与退相干： 区分相干输运（电子在传播过程中保持其量子叠加态）和退相干（与环境的相互作用导致量子叠加态的破坏）。解释退相干机制（如声子散射、杂质散射、电子-电子散射）对量子输运性质的影响，以及如何通过材料设计和器件结构来抑制退相干。 量子电导与朗道尔量子化： 探讨在有限尺寸或一维/零维结构中，电导率可能呈现出量子化的离散值，即朗道尔量子化。分析其产生机制和在纳米线、量子点等结构中的体现。 量子霍尔效应与分数量子霍尔效应（经典理论回顾）： 虽然本书侧重于一般的量子输运，但简要回顾这些经典量子霍尔效应的理论基础，可以为理解更复杂的量子现象提供背景，例如二维电子气在强磁场下的量子化朗道能级。 第二部分：微纳尺度材料的量子输运现象 本部分将深入探讨在微纳尺度下出现的多种独特的量子输运现象，这些现象是理解和设计新型器件的基础。 量子隧穿效应： 详细解释电子或准粒子克服能量势垒的量子力学现象。分析隧穿概率与势垒宽度、高度的关系，并介绍其在隧道二极管、扫描隧道显微镜（STM）等器件中的应用。 库仑阻塞效应： 讲解当纳米器件尺寸小到电子之间的库仑相互作用可以显著影响电子隧穿时，出现的输运电流被限制的现象。分析其在量子点、单电子晶体管（SET）等器件中的作用。 朗道能级与磁输运： 深入研究在磁场作用下，自由电子的能级分裂形成离散的朗道能级。探讨朗道能级引起的磁电阻效应、霍尔效应等，以及其在磁性材料和磁传感器件设计中的意义。 自旋输运现象： 重点介绍电子的自旋自由度如何影响输运性质。 自旋依赖输运： 讨论自旋向上和自旋向下的电子在材料中具有不同输运特性的现象，以及如何利用这一特性设计自旋电子器件。 自旋轨道耦合（SOC）： 解释SOC效应如何连接电子的自旋和轨道运动，导致自旋 Hall 效应、 Rashba 效应等，这些效应在自旋电流的产生和转换中起着关键作用。 巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）： 详细阐述这两类重要的自旋输运现象，分析其物理机制，并介绍其在磁存储、磁传感器等领域的广泛应用。 热输运的量子效应： 电子-声子相互作用与热导率： 分析在微纳尺度下，电子与晶格振动（声子）之间的相互作用如何影响材料的热导率。 量子热电效应： 探讨如塞贝克效应、珀尔帖效应等在量子尺度下的表现，以及如何利用量子限域效应来提高热电器件的效率。 拓扑量子输运： 拓扑绝缘体与表面态输运： 介绍拓扑绝缘体独特的体绝缘、表面导电性质，以及其表面态电子的无能隙、受保护的狄拉克锥特性，这些特性使得电子在表面具有特殊的拓扑保护输运。 Majorana 费米子输运（理论展望）： 简要介绍Majorana费米子在拓扑超导体中的预测，及其在未来容错量子计算中的潜在应用，以及相关的输运探测方法。 第三部分：微纳尺度功能器件的设计与应用 本部分将基于前两部分阐述的理论和现象，详细介绍如何利用微纳尺度材料的量子输运特性来设计和构建新型功能器件。 新型半导体器件： 量子点器件： 介绍量子点作为人工原子，如何通过库仑阻塞效应实现单电子开关、量子比特等。 纳米线晶体管： 探讨纳米线作为沟道材料，如何实现更优的亚阈值摆幅和更高的开关速度。 二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）器件： 分析这些材料独特的电子结构和输运特性，在场效应晶体管、传感器等方面的应用潜力。 自旋电子器件： 磁存储器件： 详细介绍基于GMR和TMR效应的磁存储器（MRAM），分析其工作原理、性能优势和未来发展。 自旋逻辑器件： 探讨如何利用自旋电流进行信息编码和逻辑运算，实现低功耗、高密度的计算。 自旋注入与探测器件： 设计能够高效产生、传输和检测自旋极化电流的材料和结构。 光电子与光电器件： 量子点发光二极管（QLEDs）： 利用量子点独特的光致发光性质，实现高效、色纯度高的显示器和照明。 光电探测器： 设计能够利用量子限域效应增强光吸收和电荷分离效率的光电探测器。 光 홀效应器件： 探索利用光照诱导产生的霍尔效应来开发新型光电传感器。 热电器件： 纳米材料的热电转换： 分析如何通过调控纳米材料的声子输运和电子输运，提高热电优值（ZT），实现高效的废热发电或制冷。 微型热电发生器与冷却器： 设计应用于可穿戴设备、微型电子设备等领域的微型化热电器件。 传感器件： 基于量子输运的化学和生物传感器： 利用量子效应（如库仑阻塞、表面态敏感性）对化学分子或生物标记物的极度灵敏探测。 磁传感器： 基于GMR/TMR效应的各类高灵敏度磁场传感器，应用于导航、医疗成像等领域。 量子计算的器件基础（理论展望）： 超导量子比特与拓扑量子比特： 介绍基于量子点、纳米线、拓扑材料等构建的量子比特候选者，以及它们在量子信息处理中的作用。 量子隧穿结在量子计算中的应用： 探讨如何在量子计算系统中利用量子隧穿实现量子比特的读出和控制。 第四部分：实验技术与理论模拟 本书还将简要介绍用于研究微纳尺度材料量子输运现象的关键实验技术和理论模拟方法。 实验技术： 低温输运测量： 介绍在极低温环境下进行精确电学和磁学测量的技术，以观察和分离量子输运效应。 微纳加工技术： 介绍光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束等技术在制备微纳器件中的关键作用。 扫描探针技术： 详细介绍STM、AFM等技术在表面形貌、电子态密度测量以及单分子探测中的应用。 同步辐射光源与中子散射： 介绍这些先进光源如何用于材料的结构表征和电子结构分析。 理论模拟方法： 密度泛函理论（DFT）： 介绍DFT在计算材料电子结构、能带、原子结构等方面的广泛应用。 紧束缚模型： 讲解紧束缚模型如何用于快速模拟低维材料和界面处的电子性质。 基于NEGF的器件模拟： 介绍如何结合NEGF方法和原子尺度电子结构计算，对微纳器件的输运性质进行精确模拟。 分子动力学模拟： 介绍如何利用分子动力学模拟研究材料的热输运、声子动力学等。 总结与展望 本书旨在为读者构建一个关于微纳尺度材料量子输运及其在功能器件应用中的完整认知图景。通过深入理解量子力学在微纳尺度下的独特性质，并将其巧妙地应用于器件设计，我们可以创造出超越经典物理极限的新型电子、光电子、自旋电子和热电器件。未来，随着材料科学和制造技术的不断进步，以及对量子现象认识的不断深化，微纳尺度材料的量子输运必将为人类带来更多革命性的技术突破，推动信息、能源、医疗等领域的跨越式发展。 本书的读者将能够： 掌握微纳尺度材料量子输运的基本理论框架。 理解各种量子输运现象的物理机制。 了解如何利用这些现象设计和优化新型功能器件。 认识到微纳尺度材料在未来科技发展中的重要作用。 本书的内容将侧重于理论的清晰阐释、现象的深入剖析以及器件应用的实际联系，力求使复杂的量子物理概念易于理解，并激发读者在相关领域的探索和创新。

评分☆☆☆☆☆

总体而言，这本书的叙事风格偏向于严谨的工程手册，而非启发性的学术专著。它的语言是清晰的、逻辑是严密的，但缺乏那种能够激发读者进行大胆创新的激情和深度。我希望能读到更多关于该领域未来十年可能的发展方向的哲学性思考，或者至少是对当前主流研究范式的深刻反思。例如，在讨论环境稳定性或柔性器件集成时，书中多是描述现有技术方案的局限性，却很少提出革命性的、可以一举跨越现有瓶颈的设计哲学。这种“稳扎稳打”的论述风格，虽然保证了内容的准确性，却也牺牲了它作为一本“新型”领域指导书应有的前瞻性和启发性，读完后，留下的更多是知识的积累，而非思维的跃迁。

评分☆☆☆☆☆

这本书的理论深度显然是为高年级本科生或初入研所的学生准备的，它试图构建一个从基础热力学到器件工作机制的完整逻辑链条。我注意到作者在阐述载流子传输机制时，引用了大量的经典物理模型，这对于打下坚实基础是有益的。但是，在涉及“功能”二字的诠释上，感觉略显保守。例如，在讨论光电转换效率时，我期待看到更多关于激子动力学、界面陷阱态控制的最新研究进展，特别是那些能够显著提升效率的分子工程策略。书中对这些前沿问题的探讨，似乎停留在教科书式的介绍层面，缺乏当前学术界热烈讨论的那些“尖锐”的矛盾点和待解决的难题。这使得整本书读起来像是一份非常扎实但稍显过时的综述报告，少了那么一股催人奋进、直面挑战的研究前沿气息。我希望作者能更勇敢地探讨那些尚未完全解决、充满争议和机遇的研究盲区。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常简洁、专业，那种深邃的蓝色调，搭配清晰的白色和黄色字体，一下子就抓住了我的注意力。作为一名对新兴材料科学抱有浓厚兴趣的读者，我立刻被书名中“新型功能分子器件”这个关键词所吸引。我原本预期它会是一本深入探讨如何从分子层面构建具有特定功能的电子或光学器件的专业教材，或许会涉及一些前沿的量子化学计算方法，或者精密的自组装技术。然而，当我翻开内页后，发现内容似乎更多地聚焦于基础的物理化学原理和宏观的器件性能分析，对于分子设计和合成的具体“新颖”之处，着墨不多。这让我感到有些出乎意料，我更期待看到一些突破性的、不同于传统半导体材料的全新分子结构案例，以及这些结构是如何通过精妙的分子间相互作用实现特定功能的详细论述。遗憾的是，书中对具体分子实例的结构美感和创新性描述相对抽象，缺乏那种能让人眼前一亮的“分子魔术”的震撼感。如果能增加更多高质量的分子结构图谱和性能测试数据对比，我想这本书的吸引力会大大增强。

评分☆☆☆☆☆

这本书在“设计”这一环节的讨论，我个人认为相对薄弱。我们都知道，分子器件的设计是高度依赖于对分子结构与电子性质之间关系的直觉和经验的。我期待看到的是一套系统化的设计流程图谱，比如如何根据目标能级匹配度来筛选候选分子，或者如何利用计算化学工具进行高通量筛选的实用案例。这本书中，设计似乎更多地被描述成一种“基于已知原理的组合优化”，缺乏对那种“灵光乍现”的、完全打破现有范式的分子构筑策略的深入剖析。这使得这本书更像是一本关于“已知原理如何应用于器件”的指南，而非一本指导读者“如何创造出全新分子”的蓝图。对于渴望掌握前沿分子设计思维的读者来说，这无疑是一处明显的不足。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验方面，这本书的排版和注释系统设计得相当用心。页边距留得恰到好处，许多关键公式都用醒目的粗体标出，便于快速查找和回顾。不过，可能是由于篇幅的限制，部分复杂的数学推导过程被简化得有些突然。比如，在推导器件的本征缺陷对性能影响的函数关系时，中间步骤的跳跃性比较大，对于没有紧密跟进推导的读者来说，理解起来会有些吃力，需要不断翻阅附录中的基础数学知识进行补充验证。另外，书中引用的参考文献虽然数量可观，但感觉在对近五年内最具颠覆性的研究成果引用上略显滞后，这在快速迭代的分子器件领域是一个不小的遗憾。一本关于“新型”技术的书，理应紧跟最新的学术脉搏，让读者感到自己正在接触最前沿的思想。