納米結(jié)構(gòu)與性能的理論計(jì)算與模擬

內(nèi)容概要

《納米結(jié)構(gòu)與性能的理論計(jì)算與模擬》納米科學(xué)與技術(shù)的核心在于受限尺度所帶來(lái)光、電、磁、力學(xué)、生物等新效應(yīng)，體現(xiàn)在電子在納米尺度上的電荷與自旋的量子輸運(yùn)、光子納米介質(zhì)中的散射折射或透射、受限在納米尺度的流體的新結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)等方面。納米體系覆蓋金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，從無(wú)機(jī)到有機(jī)，包括團(tuán)簇、低維碳材料（零維的富勒烯、一維的納米管、二維的石墨烯等）、量子點(diǎn)與量子線，以及自組裝結(jié)構(gòu)，還包括在納米尺度上控制性能的光電、磁電、熱電等體相材料。本書(shū)從基本原理到理論計(jì)算模擬，對(duì)以上內(nèi)容作了較系統(tǒng)的闡述。

作者簡(jiǎn)介

帥志剛  1983年畢業(yè)于中山大學(xué)物理系，1989年獲復(fù)旦大學(xué)理論物理專業(yè)博士學(xué)位，之后在比利時(shí)蒙斯大學(xué)從事研究工作。2002年，獲中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”支持，任中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員。長(zhǎng)期從事有機(jī)/高分子和碳基材料的光電功能理論研究，包括有機(jī)發(fā)光過(guò)程、電荷傳輸機(jī)理、光伏轉(zhuǎn)換效率和電子關(guān)聯(lián)與激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)等理論。共發(fā)表論文260余篇，英文專著1部。2004年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助，并獲“百人計(jì)劃”結(jié)題優(yōu)秀成績(jī)。2008年至今為清華大學(xué)化學(xué)系“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授。2006年入選“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程” 國(guó)家級(jí)人選，2008年當(dāng)選為國(guó)際量子分子科學(xué)院院士，2009年當(dāng)選為英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，2011年當(dāng)選為歐洲人文與自然科學(xué)院(Academia Europaea)外籍院士，2012年獲中國(guó)化學(xué)會(huì)-阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。社會(huì)兼職包括：中國(guó)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、副秘書(shū)長(zhǎng)；《化學(xué)學(xué)報(bào)》副主編，Theor. Chem. Acc.、Nanoscale、《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》、《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》等期刊編委；北京大學(xué)、南京大學(xué)等校兼職教授。

書(shū)籍目錄

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書(shū)序
第1章　量子輸運(yùn)
　1．1引言
　1．2電子輸運(yùn)理論方法簡(jiǎn)介
　　1．2．1 Boltzmann方程
　　1．2．2線性響應(yīng)
　　1．2．3散射(Landauer—B／ittiker)公式
　　1．2．4非平衡態(tài)格林函數(shù)公式
　　1．2．5含時(shí)電子輸運(yùn)
　1．3界面電阻
　　1．3．1金屬的界面電阻
　　1．3．2 A1／A9界面各向異性的成因
　　1．3．3 A1／A9的界面無(wú)序散射
　　1．3．4 A1／A9界面的結(jié)構(gòu)弛豫及其對(duì)輸運(yùn)的影響
　　1．3．5其他晶格匹配的界面
　　1．3．6晶格不匹配的界面
　1．4非局域自旋閥中的自旋輸運(yùn)
　　1．4．1磁電電路理論
　　1．4．2非局域自旋閥輸運(yùn)的理論模型
　　1．4．3非局域角度磁電阻和自旋轉(zhuǎn)矩
　1．5鐵磁／超導(dǎo)界面
　　1．5．1 Andreev電導(dǎo)的散射公式表示
　　1．5．2鐵磁超導(dǎo)界面的BTK理論與自旋翻轉(zhuǎn)效應(yīng)
　　1．5．3 Andreev電導(dǎo)譜計(jì)算實(shí)例
　1．6隧道結(jié)
　　1．6．1 Fe／vac／Fe的輸運(yùn)
　　1．6．2 Fe／M90／Fe的輸運(yùn)與自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)
　1．7總結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第2章　半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn)的微觀贗勢(shì)理論
第3章　納米光子學(xué)常用的數(shù)值計(jì)算方法
第4章　基于石墨烯納米帶的電子器件設(shè)計(jì)
第5章　納米尺度受限水的流動(dòng)特性及浸潤(rùn)特性
第6章　多鐵性納米結(jié)構(gòu)磁電效應(yīng)的計(jì)算模擬與器件設(shè)計(jì)
第7章　基于理論計(jì)算的能帶調(diào)控及熱電材料設(shè)計(jì)
第8章　原子團(tuán)簇的理論模擬
第9章　金屬表面分子自組裝的理論研究
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1 引言　　在1921年Stern-Gerlach的實(shí)驗(yàn)[1]之后不久，Kronig、Uhlenbeck和Goudsmit[2]就從理論上（1925年）提出：電子除了具有電荷、質(zhì)量之外，還有一個(gè)內(nèi)稟性質(zhì)——自旋。自旋是量子力學(xué)中的一個(gè)內(nèi)稟角動(dòng)量，并且直接和磁矩相聯(lián)系。在Fe/Cr和Co/Cu多層膜中層間交換耦合振蕩[3]和Fe/Cr多層膜中的巨磁阻（GMR）效應(yīng)[4，5]被發(fā)現(xiàn)之前，電子學(xué)僅僅在各向異性磁電阻的研究中考慮了電子自旋。操縱電子自旋這個(gè)自由度及其所攜帶的信息對(duì)傳統(tǒng)電子學(xué)提出了新的、激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)。發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)之后，磁電子學(xué)[6，7]這個(gè)新學(xué)科就誕生了，并極快地成長(zhǎng)起來(lái)，滲透到很多不同的研究領(lǐng)域中。磁電子學(xué)把源于載流子自旋和材料磁性之間相互作用的自旋相關(guān)效應(yīng)與傳統(tǒng)的微電子學(xué)相結(jié)合，為人們提供了一個(gè)發(fā)展下一代電子器件的機(jī)遇?！　MR是在鐵磁金屬（FM）和非磁金屬（NM）相間排列構(gòu)成的磁性多層膜結(jié)構(gòu)FM/NM/FM中觀測(cè)到的一種量子力學(xué)效應(yīng)，是指系統(tǒng)的總的電阻隨兩相鄰磁性層的磁矩間的夾角變化而變化的效應(yīng)?！　鲗?dǎo)電流的電子實(shí)際上由兩類組成，根據(jù)電子自旋在一個(gè)給定量子化軸的投影為+./2還是../2，可以把電子分成兩個(gè)磁自旋態(tài)：自旋向上和自旋向下態(tài)。非磁金屬的特征是兩種自旋態(tài)的電子具有相同的數(shù)目。而鐵磁金屬則是費(fèi)米能（EF）上的自旋向上和自旋向下電子的態(tài)數(shù)存在不平衡。這類材料中兩種自旋的動(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)行為是不同的?！　〔牧现写啪氐姆较蛴赏饧哟艌?chǎng)操縱。當(dāng)鐵磁層間的磁矩平行排列時(shí)，載流子的散射較小，系統(tǒng)具有較小電阻。當(dāng)磁矩反平行排列時(shí)，載流子的散射較大，系統(tǒng)具有較大電阻。圖1.1描繪了這種散射機(jī)制。每個(gè)磁性層的作用就相當(dāng)于一個(gè)自旋選擇閥。磁化方向決定了通過(guò)它的電子是自旋向上還是自旋向下的。這種散射在平行排列時(shí)導(dǎo)致低電阻而反平行排列時(shí)導(dǎo)致高電阻，可以用雙通道模型來(lái)解釋，如圖　　1.1 所示。以上討論的模型中沒(méi)有考慮自旋翻轉(zhuǎn)，自旋向上和自旋向下的電子在兩個(gè)分離的自旋通道中獨(dú)立傳播。實(shí)際上，自旋–軌道耦合和磁振子散射都可能造成自旋翻轉(zhuǎn)?！　×硪粋€(gè)有趣的現(xiàn)象是隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)，有時(shí)也稱為隧道結(jié)磁電阻（JMR）。與GMR類似，磁性隧道結(jié)（MTJ）是在兩個(gè)鐵磁電極之間放入一個(gè)很　　圖1.1 電子在FM/NM/FM多層膜中的散射示意圖。（a）磁矩平行排列時(shí)，只有一個(gè)自旋方向的電子受到較強(qiáng)散射；（b）反平行排列時(shí)，兩個(gè)自旋方向的電子在磁性層中都遇到較強(qiáng)散射。雙通道模型表明磁矩平行時(shí)（c）的電阻值低而磁矩反平行時(shí)（d）的電阻值高　　薄的絕緣層（通常約為1nm）從而形成FM/I/FM結(jié)構(gòu)。在MTJ結(jié)構(gòu)中，自旋極化的電子從一邊的鐵磁電極通過(guò)薄絕緣勢(shì)壘隧穿到另一個(gè)鐵磁電極中。眾所周知，隧道效應(yīng)是一個(gè)用來(lái)描述電子的量子力學(xué)本質(zhì)的教科書(shū)例子。TMR效應(yīng)最先由Julliere[8]在Fe/Ge氧化物/Co隧道結(jié)的開(kāi)創(chuàng)性工作中提出。Moodera等[9]發(fā)現(xiàn)室溫下CoFe/AlOx/Co隧道結(jié)有較大TMR比率，這引起了人們的廣泛興趣并大大加速了該研究領(lǐng)域中對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的研究。最近，Parkin等[10]和Yuasa等[11]在Fe/MgO/Fe（001）結(jié)構(gòu)中測(cè)量到的TMR值超過(guò)了1100%。通常，F(xiàn)M/I/FM隧道結(jié)中的FM是3d過(guò)渡鐵磁金屬Fe、Co、Ni及它們的合金?！　∮捎贕MR和TMR效應(yīng)在磁電子學(xué)器件，如傳感器、硬盤(pán)磁頭和磁性隨機(jī)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（MRAMs）的應(yīng)用有著極大的潛力，因而受到廣泛關(guān)注。如果不用電荷，而用載流子自旋或磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，就可能做成不易揮發(fā)的MRAMs。這意味著其靜態(tài)功耗為零。而我們知道，靜態(tài)功耗在總功耗中的比例是隨著電子原件的尺度減小而急劇增加的。這種存儲(chǔ)器由二維MTJ或GMR元的陣列構(gòu)成，其中每個(gè)單元代表1bit。讀取操作通過(guò)測(cè)量電阻來(lái)進(jìn)行，寫(xiě)操作則通過(guò)鄰近導(dǎo)線的電流脈沖誘導(dǎo)出磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。GMR和MTJ元的電阻大小決定了其不同的用途，通常前者（具有較低的電阻）適合應(yīng)用于硬盤(pán)，而后者（具有極高的電阻）適合應(yīng)用于存儲(chǔ)器件。　　從電子學(xué)的觀點(diǎn)看來(lái)，實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)（spintronics）的關(guān)鍵在于向半導(dǎo)體中注入（高）自旋極化的電流[12]。一個(gè)自旋電子學(xué)器件包括：一端的鐵　　第1章 量子輸運(yùn)　　磁注入器，一個(gè)半導(dǎo)體輸運(yùn)介質(zhì)（既可以是常規(guī)也可以是磁性半導(dǎo)體），以及另一端的自旋探測(cè)器。這導(dǎo)致電導(dǎo)依賴于兩個(gè)接觸磁化的相對(duì)取向[13]。其操作原理如下：自旋極化的電子由磁性源（注入器）注入，在它們到達(dá)磁性漏極（探測(cè)器）被收集前由加在半導(dǎo)體輸運(yùn)介質(zhì)上的門(mén)電壓來(lái)操縱和控制。把鐵磁體和半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生了很多新的可能，同時(shí)還要求鐵磁注入器和探測(cè)器是具有高自旋極化的材料，并且能和半導(dǎo)體輸運(yùn)介質(zhì)相容。這個(gè)領(lǐng)域的綜述見(jiàn)文獻(xiàn)[14]?！　≡谠缦忍岬降淖孕嚓P(guān)輸運(yùn)效應(yīng)的范疇（GMR、TMR、交換耦合振蕩以及半導(dǎo)體中自旋的注入和探測(cè)[15]）內(nèi)，典型的磁電子學(xué)結(jié)構(gòu)為鐵磁金屬（如Fe、Co、Ni及它們的合金）和非磁金屬（Al、Cr、Cu、Au等）薄膜，絕緣體（如MgO）以及半導(dǎo)體（如GaAs）混合組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。磁電子學(xué)的基礎(chǔ)研究很快地轉(zhuǎn)移到更小的結(jié)構(gòu)和新穎的材料上。隨著器件尺寸的減小，界面散射開(kāi)始支配電流的輸運(yùn)[16，17]，因此如何可靠地描述界面上電子的透射和反射就成為一個(gè)重要的基本問(wèn)題。量子力學(xué)的計(jì)算表明界面散射的效果是非常顯著的，并且常常決定器件的性質(zhì)。很明顯，仔細(xì)考慮電子在磁性界面上的透射和反射，系統(tǒng)地研究由真實(shí)材料構(gòu)成的磁性界面以及材料不均勻化對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響[18]，對(duì)于理解交換耦合振蕩、巨磁阻、隧穿磁電阻、自旋轉(zhuǎn)矩、自旋泵、自旋注入等物理現(xiàn)象有著重要的作用。利用真實(shí)材料的電子結(jié)構(gòu)信息來(lái)進(jìn)行電子輸運(yùn)計(jì)算，可以讓我們更深入地了解這些材料中的自旋相關(guān)輸運(yùn)特性，在理論上澄清實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。　　1.2 電子輸運(yùn)理論方法簡(jiǎn)介　　本節(jié)我們簡(jiǎn)單介紹一些常用的研究電子輸運(yùn)的理論方法，以幫助讀者對(duì)電子輸運(yùn)理論有一個(gè)較為全面的了解。相關(guān)理論的更詳細(xì)描述可以在本書(shū)的參考文獻(xiàn)中找到[19，20]?！　?.2.1 Boltzmann方程　　很多教科書(shū)都對(duì)半經(jīng)典的Boltzmann輸運(yùn)理論作過(guò)介紹，它不僅在處理塊體材料輸運(yùn)問(wèn)題時(shí)有用，在處理小尺寸體系的尺寸效應(yīng)方面同樣有效。Boltzmann輸運(yùn)理論雖然是半經(jīng)典理論，但也包含了許多量子力學(xué)的信息。如果在量子力學(xué)框架下計(jì)算出碰撞項(xiàng)，那么單點(diǎn)上的多重散射問(wèn)題就能夠被嚴(yán)格處理。當(dāng)缺陷的濃度很低時(shí)，不同雜質(zhì)之間的相干散射較弱，可以被忽略，Boltzmann輸運(yùn)理論是嚴(yán)格的。　　……

編輯推薦

帥志剛、夏鈳等編寫(xiě)的這本《納米結(jié)構(gòu)與性能的理論計(jì)算與模擬》是納米科學(xué)與技術(shù)系列叢書(shū)之一。全書(shū)共分9章，內(nèi)容包括：量子輸運(yùn)，半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn)的微觀贗勢(shì)理論，納米光子學(xué)常用的數(shù)值計(jì)算方法，基于石墨烯納米帶的電子器件設(shè)計(jì)，納米尺度受限水的流動(dòng)特性及浸潤(rùn)特性，多鐵性納米結(jié)構(gòu)磁電效應(yīng)的計(jì)算模擬與器件設(shè)計(jì)，基于理論計(jì)算的能帶調(diào)控及熱電材料設(shè)計(jì)，原子團(tuán)簇的理論模擬，金屬表面分子自組裝的理論研究。    本書(shū)適合廣大納米科技工作者閱讀參考，同時(shí)也適合廣大實(shí)驗(yàn)工作者參考。

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