分子納電子器件學(xué)科導(dǎo)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(shù)行動計劃”（National Nanotechnology Initiative，NNI）以來，納米科技研究已成為全球的熱點(diǎn)，引領(lǐng)眾多科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展。經(jīng)過八九年的風(fēng)風(fēng)雨雨，各國政府更加清楚地認(rèn)識到發(fā)展納米技術(shù)的重要性和緊迫性；也進(jìn)一步明確了發(fā)展納米技術(shù)的路線圖和近期的主要研究內(nèi)容。但是，從長遠(yuǎn)來看，物質(zhì)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(guān)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(shè)計來操縱、控制和排列原子、分子，形成尺寸在1～100nm的“結(jié)構(gòu)單元”。這些“結(jié)構(gòu)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(zhì)世界的認(rèn)識進(jìn)入到嶄新的階段，需要建立新的理論體系。　　納米器件研究是納米技術(shù)中具有戰(zhàn)略意義的前瞻性研究領(lǐng)域，它的研究成果將對“后芯片（Beyond-CMOS）時代”的技術(shù)產(chǎn)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(shí)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(dá)到技術(shù)或物理的極限；另一方面則是依靠“自下而上”（bottom-up）的技術(shù)或分子納米技術(shù)，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(zhì)或納米結(jié)構(gòu)，并以此作為納電子器件的基礎(chǔ)。分子或分子的積聚體（aggrega-tor）是理想的納米結(jié)構(gòu)之一，因此分子器件也成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，并成為一個相對獨(dú)立的分支領(lǐng)域。分子和納電子器件是以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的、人工的、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，它所涵蓋的科學(xué)內(nèi)容、技術(shù)挑戰(zhàn)及潛在的應(yīng)用前景，使之成為一個帶動學(xué)科發(fā)展、交叉融合的新的生長點(diǎn)，從化學(xué)家和電子學(xué)家開始，波及若干相關(guān)科學(xué)和技術(shù)學(xué)科的許多領(lǐng)域?！　?yīng)該指出的是，目前分子和納電子器件的理論基礎(chǔ)以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究在世界各國風(fēng)起云涌，實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線層出不窮，結(jié)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(lǐng)域工作的科學(xué)家不得不面對浩瀚的、往往是互不相洽的文獻(xiàn)；而青年人更會感到無從入門。

內(nèi)容概要

　　《分子納電子器件學(xué)科導(dǎo)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(shí)驗(yàn)，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(jié)果；論述了這是一個跨學(xué)科的科學(xué)課題。然后，從理論和實(shí)驗(yàn)等方面，指出進(jìn)一步的研究方向。　　《分子納電子器件學(xué)科導(dǎo)論》適合分子納米器件相關(guān)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(dǎo)師。1959年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系?，F(xiàn)為中國高等科學(xué)技術(shù)中心顧問委員會（CCAST）委員，北京大學(xué)科學(xué)與工程計算中心學(xué)術(shù)委員會委員，納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一屆學(xué)術(shù)委員會委員。長期從事電子結(jié)構(gòu)理論，高溫超導(dǎo)理論，納器件物理等方面的物理研究。因參加高溫超導(dǎo)研究，曾獲1989年國家教委科技進(jìn)步獎一等獎和北京大學(xué)特等獎；因參加C60研究，曾獲1994年國家教委科技進(jìn)步獎二等獎。因編著《高溫超導(dǎo)物理》，獲北京市教學(xué)成果獎一等獎（2000）、國家級教學(xué)成果獎二等獎（2001）。

書籍目錄

《納米科學(xué)技術(shù)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(xiàn)第二章 制備方法和幾個代表性的實(shí)驗(yàn)2.1 制備方法2.2 分子結(jié)的性質(zhì)參考文獻(xiàn)第三章 分子納器件輸運(yùn)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(jié)：納層次問題參考文獻(xiàn)第四章 第一性原理理論框架：非平衡格林函數(shù)結(jié)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(jié)果4.3 結(jié)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(xiàn)第五章 密度泛函理論5.1 范弗萊克災(zāi)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(xué)5.4 關(guān)于LDA與GGA5.5 精確Kohn-Sham勢(Exx)5.6 Koopmans定理和擴(kuò)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(zhǔn)確計算的條件5.1 2氫鍵及范德瓦爾斯作用研究進(jìn)展參考文獻(xiàn)第六章 小結(jié)參考文獻(xiàn)第二部分 分子納器件研究進(jìn)展與面臨的挑戰(zhàn)及進(jìn)一步的研究建議第一章 引言第二章 分子納器件包含強(qiáng)關(guān)聯(lián)部分2.1 強(qiáng)關(guān)聯(lián)的概念2.2 分子納器件中包含的強(qiáng)關(guān)聯(lián)2.3 小分子在金屬表面的吸附問題2.4 Newns對強(qiáng)關(guān)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(qiáng)關(guān)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(xiàn)第三章 分子納器件輸運(yùn)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(xiàn)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(zhì)4.3 量子熱力學(xué)參考文獻(xiàn)第五章 分子納器件課題舉例5.1 DNA的電學(xué)性質(zhì)5.2 關(guān)聯(lián)無序及Carpena的工作簡介5.3 生命科學(xué)相關(guān)的分子納器件論題5.4 信息團(tuán)簇的綜合解讀5.5 流密度泛函與流體力學(xué)的結(jié)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(xiàn)第六章 相關(guān)新進(jìn)展6.1 石墨烯中的無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子6.2 超絕緣體6.3 憶阻——新的電子學(xué)元件參考文獻(xiàn)第七章 小結(jié)參考文獻(xiàn)附錄化學(xué)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(diǎn)介紹分子納器件電輸運(yùn)行為研究已取得的有代表性的重要進(jìn)展。并指出在已有理論框架下，可進(jìn)一步開展的工作及應(yīng)注意的問題。關(guān)于拓寬視角，進(jìn)一步建立分子納器件學(xué)科的研究新電路，放到本書第二部分中介紹。　　2006年初，美國基礎(chǔ)研究科學(xué)家得到了一份貴重的新年禮物——根據(jù)《科學(xué)》（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(yù)算方案中，能源部的科學(xué)研究預(yù)算增加5.04億美元，增幅為14％，達(dá)到41億美元；國家科學(xué)基金委員會的預(yù)算增加4.35億美元，增幅7.8％，達(dá)到60.2億美元。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期聯(lián)邦研究和發(fā)展總預(yù)算（達(dá)1370億美元）的增幅（不足2％）?！　≌缈偨y(tǒng)科學(xué)顧問Jack Marburger所言，預(yù)算方案的中心是強(qiáng)調(diào)物質(zhì)科學(xué)中基礎(chǔ)研究的重要性，通過創(chuàng)造新技術(shù)來提升美國的競爭力。要加強(qiáng)的領(lǐng)域包括納米技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)、材料科學(xué)、工程學(xué)，以及化學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的部分領(lǐng)域。納米技術(shù)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(xué)基金委員會、國防部、能源部、航空航天局、商務(wù)部、衛(wèi)生研究所為中心進(jìn)行納米技術(shù)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”?！　∮捎谶@個戰(zhàn)略，世界對納米技術(shù)領(lǐng)域的興趣隨之提高：競爭異常激烈。在美國總統(tǒng)科學(xué)顧問的報告中關(guān)于納米技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是分子納米技術(shù)，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(jié)構(gòu)上說在自然界中并不存在的物質(zhì)和現(xiàn)象，并確立新電子元件的基礎(chǔ)。納米技術(shù)就是發(fā)現(xiàn)量子效應(yīng)的人工的、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)技術(shù)。納米技術(shù)將有可能引起計算機(jī)革命、光學(xué)革命和生物工程革命。美國的國家納米技術(shù)戰(zhàn)略涵蓋眾多領(lǐng)域，原因正在于此。

編輯推薦

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

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