納米物理和納米技術(shù)

前言

　　本書(shū)起源于兩門(mén)大學(xué)選修的高級(jí)物理課程，是由我在理工大學(xué)首創(chuàng)的“納.米技術(shù)的概念”和“納米科技及其應(yīng)用”，課程分別設(shè)置在大學(xué)三年級(jí)的春季和隨后的秋季，學(xué)生們可以自由選擇學(xué)習(xí)這兩門(mén)課程的順序?，F(xiàn)在，已到了開(kāi)課第二年的中期，我對(duì)學(xué)習(xí)“納米”系列課程的學(xué)生們的多樣性、素質(zhì)以及興趣和熱情很滿意。由于這些學(xué)生來(lái)自于電氣工程，計(jì)算機(jī)工程，機(jī)械工程，化學(xué)工程等多個(gè)專業(yè)，這有利于將班級(jí)劃分為多個(gè)跨學(xué)科工作小組，然后準(zhǔn)備學(xué)期論文和演講，在豐富有趣的納米技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，更深入的研究自己選擇的課題。8個(gè)學(xué)時(shí)的計(jì)算基礎(chǔ)物理是這門(mén)課程學(xué)習(xí)的先決條件，學(xué)生也同時(shí)要修入門(mén)化學(xué)，大學(xué)數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)?！　∥乙兄x跨學(xué)科物理組的同事們?cè)谡n程制定方面對(duì)我的幫助，特別感謝L0r-can Folan和Harold Sjurscn對(duì)這門(mén)本科課程的批準(zhǔn)。當(dāng)我告訴Teraoka，我無(wú)法找到合適的教材，應(yīng)該寫(xiě)這樣一本書(shū)之后，他把我介紹給Ed Immergut，一個(gè)聰明而有經(jīng)驗(yàn)的顧問(wèn)編輯，他幫我將課程綱要轉(zhuǎn)變成了一本書(shū)。

內(nèi)容概要

本書(shū)研究在納米和亞納米尺度下的物理現(xiàn)象，特別側(cè)重于對(duì)所有潛在應(yīng)用技術(shù)中的最小尺度的重要性的研究。本書(shū)從磁學(xué)和量子學(xué)的角度，圍繞“納米電子學(xué)”做了說(shuō)明，對(duì)現(xiàn)有的成功硅技術(shù)則敘述了涉及量子計(jì)算的可能性；介紹了關(guān)于碳納米管的電子學(xué)新應(yīng)用；在超導(dǎo)性方面，通過(guò)具體實(shí)例的介紹幫助理解以低功耗和高效率著稱的“快速單通量量子”計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)備。本書(shū)提供了一些新領(lǐng)域必需的基本概念，也包括了納米科技的一些最新進(jìn)展。

書(shū)籍目錄

序言 第1版序言 譯叢序言 譯者序 第1章　緒論 　1.1　納米，微米，毫米 　1.2　摩爾(Moore)定律 　1.3　Esaki量子隧穿二極管 　1.4　量子點(diǎn)的多種顏色 　1.5　巨磁電阻 Gb硬盤(pán)讀取磁頭 　1.6　汽車上的加速計(jì) 　1.7　納米孔道過(guò)濾器 　1.8　傳統(tǒng)技術(shù)中的納米元素 　參考文獻(xiàn) 第2章　當(dāng)物體尺寸變小時(shí)，接近于量子尺度時(shí)的體系 　2.1　小型化系統(tǒng)中機(jī)械頻率增加 　2.2　由簡(jiǎn)單諧振子表示的尺寸縮放關(guān)系 　2.3　由簡(jiǎn)單電路元件表示的尺寸縮放關(guān)系 　2.4　熱時(shí)間常數(shù)和溫度差異的減少 　2.5　在流體介質(zhì)中粘滯阻力成為小顆粒的主導(dǎo)力量 　2.6　在對(duì)稱分子尺度的體系中摩擦力的消失 　參考文獻(xiàn) 第3章　小的限度是什么？ 　3.1　物質(zhì)的粒子（量子）本質(zhì)：光子，電子，原子，分子 　3.2　納米發(fā)動(dòng)機(jī)和納米器件的生物學(xué)實(shí)例 　　3.2.1　線性彈簧發(fā)動(dòng)機(jī) 　　3.2.2　軌道上的線性引擎 　　3.2.3　旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī) 　　3.2.4　離子通道，生物中的納米晶體管 　3.3　可以把它做到多??？ 　　3.3.1　制造微器件的方法有哪些？ 　　3.3.2　怎樣才能看到想要制做的物體？ 　　3.3.3　怎樣才能將它與外部世界聯(lián)系起來(lái)？ 　　3.3.4　如果看不見(jiàn)它或連接不到它，能使其進(jìn)行自組裝并自主運(yùn)作嗎？ 　　3.3.5　組裝小尺寸三維物體的途徑 　　3.3.6　利用DNA鏈引導(dǎo)納米尺寸結(jié)構(gòu)的自組裝 　參考文獻(xiàn) 第4章　納米世界的量子本質(zhì) 　4.1　核原子的玻爾(Bohr)模型 　　4.1.1　角動(dòng)量量子化 　　4.1.2　玻爾模型的擴(kuò)展 　4.2　光和物質(zhì)的波粒二象性，德布羅意（DeBroglie）方程λ=h/p，E=hν 　4.3　電子波函數(shù)Ψ，概率密度Ψ*Ψ，行波和駐波 　4.4　麥克斯韋方程；E和B為光子、光纖模式的波函數(shù) 　4.5　海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理 　4.6　薛定諤方程，量子態(tài)和能量，勢(shì)壘隧穿 　　4.6.1　一維薛定諤方程 　　4.6.2　一維俘獲粒子 　　4.6.3　勢(shì)階處的反射和隧穿 　　4.6.4　勢(shì)壘貫穿，阱逃逸時(shí)間，共振隧穿二極管 　　4.6.5　二維和三維中的俘獲粒子：量子點(diǎn) 　　4.6.6　二維帶和量子線 　　4.6.7　簡(jiǎn)諧振子 　　4.6.8　球型極坐標(biāo)中的薛定諤方程 　4.7　氫原子，單電子原子，激發(fā)子 　　4.7.1　磁矩 　　4.7.2　磁化強(qiáng)度和磁化率 　　4.7.3　電子偶素和激發(fā)子 　4.8　費(fèi)米子，玻色子及其占位規(guī)則 　參考文獻(xiàn) 第5章　宏觀世界的量子行為 　5.1　化學(xué)元素周期表 　5.2　納米對(duì)稱性，雙原子分子和鐵磁體 　　5.2.1　全同性粒子以及它們之間的交換 　　5.2.2　氫分子，H—H：共價(jià)鍵 　5.3　更加純粹的納米物理作用力：范德華力、Casimir力、氫鍵 　　5.3.1　極性波動(dòng)力和范德華波動(dòng)力 　　5.3.2　Casimir力 　　5.3.3　氫鍵 　5.4　金屬作為自由電子的盒子：費(fèi)米能級(jí)，DOS，維度 　5.5　周期性結(jié)構(gòu)（如Si、GaAs、InSb、Cu）：電子能帶和帶隙的Kronig?Penney模型 　5.6　半導(dǎo)體和絕緣體中的電子能帶和傳導(dǎo)：局域與離域 　5.7　類氫施主和受主 　　5.7.1　半導(dǎo)體中的載流子濃度，金屬摻雜 　　5.7.2　PN結(jié)，電子二極管I（V）特征，注入式激光器 　5.8　鐵磁性的擴(kuò)展，磁盤(pán)存儲(chǔ)器的納米物理學(xué)基礎(chǔ) 　5.9　表面的不同，Schottky勢(shì)壘厚度W=［2εεOVB/eNd］　5.10　鐵電學(xué)，壓電學(xué)和焦熱電學(xué)：納米技術(shù)發(fā)展的最新應(yīng)用 　參考文獻(xiàn) 第6章　自然界和工業(yè)中的自組裝納米結(jié)構(gòu) 第7章　基于物理學(xué)的納米制造和納米技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法第8章　基于磁、電子、核自旋以及超導(dǎo)性的量子技術(shù) 第9章　硅納米電子學(xué)與超越 第10章　展望未來(lái) 習(xí)題簡(jiǎn)寫(xiě)術(shù)語(yǔ)表一些有用的常數(shù) 檢索

章節(jié)摘錄

　　3.3.3 怎樣才能將它與外部世界聯(lián)系起來(lái)？　　一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器可能需要與外部環(huán)境進(jìn)行多重連接才能發(fā)揮作用。在計(jì)算機(jī)中與一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片邊緣處連接的導(dǎo)線陣列就是一個(gè)例子。如果假定讓制備的納米機(jī)器在人體尺寸的環(huán)境下發(fā)揮功能，就可能需要大量從納米尺寸到厘米尺寸的尺寸放大連接。與此同時(shí)，為了保證連線不受損害，必須使從外面世界傳人的不必要的信號(hào)或噪聲不會(huì)傳回到納米尺寸的器件?！　?.3.4 如果看不見(jiàn)它或連接不到它.能使其進(jìn)行自組裝并自主運(yùn)作嗎？　　生物學(xué)的本質(zhì)在于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以或基本可以進(jìn)行自組裝和自主運(yùn)作。使一個(gè)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行自組裝完全超出了目前的工程方法，但生物學(xué)中DNA定向裝配的實(shí)例卻闡述了一個(gè)可能的例子?！　?.3.5 組裝小尺寸三維物體的途徑　　到目前為止提到的所有的小尺寸物體本質(zhì)上都是平面的。計(jì)算機(jī)芯片是按順序搭建的多層結(jié)構(gòu)，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)還是平面的?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的MEMS（微機(jī)電）設(shè)備也是如此。這些設(shè)備當(dāng)然也具有很多的用途，但完全三維的制備方法產(chǎn)生的影響將會(huì)是非常積極的。

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