分子納電子器件學科導論

前言

　　自從2000年美國時任總統(tǒng)克林頓宣布啟動“國家納米技術行動計劃”（National Nanotechnology Initiative，NNI）以來，納米科技研究已成為全球的熱點，引領眾多科學研究領域的發(fā)展。經(jīng)過八九年的風風雨雨，各國政府更加清楚地認識到發(fā)展納米技術的重要性和緊迫性；也進一步明確了發(fā)展納米技術的路線圖和近期的主要研究內容。但是，從長遠來看，物質在納米尺度下表現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和規(guī)律，對現(xiàn)有的相關理論和框架提出的挑戰(zhàn)性問題，尚不能得到圓滿的答案。人們已經(jīng)可以按照事先的設計來操縱、控制和排列原子、分子，形成尺寸在1～100nm的“結構單元”。這些“結構單元”的尺寸正好處于以原子、分子為代表的微觀世界和以大塊材料為代表的宏觀世界之間的未知地帶，使人們對物質世界的認識進入到嶄新的階段，需要建立新的理論體系?！　〖{米器件研究是納米技術中具有戰(zhàn)略意義的前瞻性研究領域，它的研究成果將對“后芯片（Beyond-CMOS）時代”的技術產生重要的影響。在世界各國的政府研究計劃中，無一例外地都將納米器件的研究列為最重要的研究方向之一；中國也是如此。實際上，在納米器件的研究中，一方面是通過“自上而下”（top-down）的手段，不斷地逐步使芯片或其他器件小型化，在十多年后最終達到技術或物理的極限；另一方面則是依靠“自下而上”（bottom-up）的技術或分子納米技術，即一個一個地或以組合方式任意操縱原子、分子，創(chuàng)造出在自然界中并不存在的納米尺度的物質或納米結構，并以此作為納電子器件的基礎。分子或分子的積聚體（aggrega-tor）是理想的納米結構之一，因此分子器件也成為人們關注的熱點，并成為一個相對獨立的分支領域。分子和納電子器件是以量子效應為基礎的、人工的、獨特的結構，它所涵蓋的科學內容、技術挑戰(zhàn)及潛在的應用前景，使之成為一個帶動學科發(fā)展、交叉融合的新的生長點，從化學家和電子學家開始，波及若干相關科學和技術學科的許多領域?！　撝赋龅氖牵壳胺肿雍图{電子器件的理論基礎以及應用基礎研究在世界各國風起云涌，實驗的技術路線層出不窮，結果也不盡相同，理論解釋更是呈現(xiàn)了百家爭鳴的局面。這使得從事這一領域工作的科學家不得不面對浩瀚的、往往是互不相洽的文獻；而青年人更會感到無從入門。

內容概要

　　《分子納電子器件學科導論》首先介紹了分子納電子器件的研究現(xiàn)狀，幾個有代表性的分子器件實驗，全原子水平的第一性原理——密度泛函-非平衡格林函數(shù)的理論框架以及對代表性分子器件重要的定性計算結果；論述了這是一個跨學科的科學課題。然后，從理論和實驗等方面，指出進一步的研究方向?！　　斗肿蛹{電子器件學科導論》適合分子納米器件相關專業(yè)的研究生和教師以及研究人員使用和參考。

作者簡介

　　韓汝珊，教授，博士生導師。1959年畢業(yè)于北京大學物理系?，F(xiàn)為中國高等科學技術中心顧問委員會（CCAST）委員，北京大學科學與工程計算中心學術委員會委員，納米器件物理與化學教育部重點實驗室第一屆學術委員會委員。長期從事電子結構理論，高溫超導理論，納器件物理等方面的物理研究。因參加高溫超導研究，曾獲1989年國家教委科技進步獎一等獎和北京大學特等獎；因參加C60研究，曾獲1994年國家教委科技進步獎二等獎。因編著《高溫超導物理》，獲北京市教學成果獎一等獎（2000）、國家級教學成果獎二等獎（2001）。

書籍目錄

《納米科學技術大系》序序前言第一部分 研究現(xiàn)狀簡介第一章 引言參考文獻第二章 制備方法和幾個代表性的實驗2.1 制備方法2.2 分子結的性質參考文獻第三章 分子納器件輸運的定性概念3.1 介觀物理中的一些概念3.2 納分子器件中的基本要素3.3 小結：納層次問題參考文獻第四章 第一性原理理論框架：非平衡格林函數(shù)結合密度泛函理論4.1 第一性原理理論框架簡介4.2 分子器件理論研究結果4.3 結果是定性的原因4.4 在現(xiàn)有的NEGF+DFT框架下可拓展的工作參考文獻第五章 密度泛函理論5.1 范弗萊克災變5.2 H-K定理、K-S方程及LDA的巨大成功5.3 超出常規(guī)量子化學5.4 關于LDA與GGA5.5 精確Kohn-Sham勢(Exx)5.6 Koopmans定理和擴展的Koopmans定理(EKT)5.7 尋求極好的泛函5.8 另一條發(fā)展戰(zhàn)略-混合(雜化)方法5.9 激發(fā)態(tài)與TDDFT5.1 0流密度泛函及任意變量密度泛函5.1 1激發(fā)態(tài)個別激發(fā)軌道準確計算的條件5.1 2氫鍵及范德瓦爾斯作用研究進展參考文獻第六章 小結參考文獻第二部分 分子納器件研究進展與面臨的挑戰(zhàn)及進一步的研究建議第一章 引言第二章 分子納器件包含強關聯(lián)部分2.1 強關聯(lián)的概念2.2 分子納器件中包含的強關聯(lián)2.3 小分子在金屬表面的吸附問題2.4 Newns對強關聯(lián)的分析及引入Anderson模型的必要性2.5 表面吸附的計算研究2.6 強關聯(lián)與局域態(tài)2.7 模型研究必須引入納器件研究參考文獻第三章 分子納器件輸運是個多尺度問題3.1 多尺度概念3.2 納器件中的多尺度參考文獻第四章 分子納器件是個限制性新體系4.1 最小碳納米管CNT之爭4.2 CNT中形成c納米鏈——涉及限制體系的性質4.3 量子熱力學參考文獻第五章 分子納器件課題舉例5.1 DNA的電學性質5.2 關聯(lián)無序及Carpena的工作簡介5.3 生命科學相關的分子納器件論題5.4 信息團簇的綜合解讀5.5 流密度泛函與流體力學的結合5.6 開體系的非整電子數(shù)的激發(fā)態(tài)研究參考文獻第六章 相關新進展6.1 石墨烯中的無質量狄拉克費米子6.2 超絕緣體6.3 憶阻——新的電子學元件參考文獻第七章 小結參考文獻附錄化學名詞與縮略語(英漢對照)索引彩色插圖

章節(jié)摘錄

　　第一部分　研究現(xiàn)狀簡介　　第一章　引言　　在本書第一部分中將重點介紹分子納器件電輸運行為研究已取得的有代表性的重要進展。并指出在已有理論框架下，可進一步開展的工作及應注意的問題。關于拓寬視角，進一步建立分子納器件學科的研究新電路，放到本書第二部分中介紹?！　?006年初，美國基礎研究科學家得到了一份貴重的新年禮物——根據(jù)《科學》（Science）雜志在線新聞報道，在美國總統(tǒng)布什計劃于2月7日遞交國會的2007年度預算方案中，能源部的科學研究預算增加5.04億美元，增幅為14％，達到41億美元；國家科學基金委員會的預算增加4.35億美元，增幅7.8％，達到60.2億美元。遠遠大于同期聯(lián)邦研究和發(fā)展總預算（達1370億美元）的增幅（不足2％）?！　≌缈偨y(tǒng)科學顧問Jack Marburger所言，預算方案的中心是強調物質科學中基礎研究的重要性，通過創(chuàng)造新技術來提升美國的競爭力。要加強的領域包括納米技術、網(wǎng)絡和信息技術、材料科學、工程學，以及化學、物理學和數(shù)學的部分領域。納米技術放在首位不是偶然的。早在克林頓任總統(tǒng)時期，美國即以國家科學基金委員會、國防部、能源部、航空航天局、商務部、衛(wèi)生研究所為中心進行納米技術研發(fā)，2000財政年度投入2.7億美元，2001財政年度投入4.97億美元，作為“國家最優(yōu)先考慮的戰(zhàn)略”。　　由于這個戰(zhàn)略，世界對納米技術領域的興趣隨之提高：競爭異常激烈。在美國總統(tǒng)科學顧問的報告中關于納米技術強調的是分子納米技術，即一個一個地或以組合方式任意操縱原子、分子，創(chuàng)造出從結構上說在自然界中并不存在的物質和現(xiàn)象，并確立新電子元件的基礎。納米技術就是發(fā)現(xiàn)量子效應的人工的、獨特的結構技術。納米技術將有可能引起計算機革命、光學革命和生物工程革命。美國的國家納米技術戰(zhàn)略涵蓋眾多領域，原因正在于此。

編輯推薦

　　《分子納電子器件學科導論》的內容分為兩大部分：一是通過對簡單分子納器件的實驗和理論探察，介紹器件制作、表征、計算模擬等的進展；二是介紹當前研究情況和對發(fā)展動態(tài)的評估，對進一步研究所涉及的重要課題以及相關建議。這是一本適用于納米器件相關專業(yè)的研究生、教師和研究人員的重要參考書。

圖書封面

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