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第一部分 纳米尺度物理学基础3

第1章 纳电子学简介3

1.1“自上而下”路线5

1.1.1光刻（曝光）6

1.2“自下而上”路线8

1.3为什么学习纳电子学9

1.4纳米技术的潜力10

1.5本章要点11

1.6练习题12

第2章 经典粒子、经典波和量子粒子13

2.1经典系统和量子系统的比较13

2.2量子力学的起源15

2.3光的波动性和光的粒子性15

2.3.1早期的认识：光是粒子或者可能是波16

2.3.2稍后的认识：光是波16

2.3.3最终，光是量子粒子18

2.4电子的粒子性与波动性21

2.4.1早期的认识：电子是粒子21

2.4.2晚一些时候：电子（和其他所有东西）是量子粒子21

2.4.3量子力学的进一步发展23

2.5波包与不确定性24

2.6本章要点29

2.7练习题30

第3章 电子的量子力学32

3.1量子力学的基本假设33

3.1.1算符35

3.1.2本征值和本征函数35

3.1.3厄米算符36

3.1.4量子力学中的算符39

3.1.5测量概率41

3.2不含时薛定谔方程46

3.2.1波函数的边界条件48

3.3量子力学和经典电磁理论之间的类比51

3.4概率流密度52

3.5多粒子系统54

3.6自旋和角动量57

3.7本章要点59

3.8练习题59

第4章 自由电子和受束缚电子63

4.1自由电子63

4.1.1一维空间64

4.1.2三维空间65

4.2金属的自由电子气理论67

4.3限制在有限空间区域中的电子和量子数67

4.3.1一维空间67

4.3.2三维空间71

4.3.3周期性边界条件72

4.4费米能级和化学势73

4.5部分受限电子——有限势阱74

4.5.1有限矩形势阱75

4.5.2抛物线形势阱——谐振子79

4.5.3三角形势阱80

4.6限制在原子中的电子——氢原子和周期表80

4.6.1氢原子和量子数81

4.6.2氢原子之后——多电子原子和周期表84

4.7量子点、量子线和量子阱87

4.7.1量子阱88

4.7.2量子线89

4.7.3量子点90

4.8本章要点91

4.9练习题91

第5章 周期势中的电子——固体能带论94

5.1晶体材料94

5.2周期势中的电子96

5.3能带结构的克勒尼希-彭尼模型97

5.3.1有效质量100

5.4固体能带论106

5.4.1半导体中的掺杂109

5.4.2相互作用系统模型110

5.4.3电场对能带的作用112

5.4.4一些半导体的能带结构113

5.4.5电子的能带跃迁——电磁能与材料的相互作用114

5.5石墨片与碳纳米管118

5.5.1石墨片118

5.5.2碳纳米管120

5.6本章要点123

5.7练习题123

第二部分 单电子和少电子的现象与器件129

第6章 隧道结与隧穿的应用129

6.1穿过势垒的隧穿130

6.2材料界面处的势能分布133

6.2.1金属-绝缘体结、金属-半导体结和金属-绝缘体-金属结133

6.3隧穿的应用136

6.3.1场发射136

6.3.2 MO SFETs中的栅氧化物隧穿与热电子效应139

6.3.3扫描隧道显微镜141

6.3.4双势垒隧穿和共振隧穿二极管143

6.4本章要点146

6.5练习题146

第7章 库仑阻塞与单电子三极管148

7.1库仑阻塞148

7.1.1纳电容器中的库仑阻塞149

7.1.2隧道结154

7.1.3电流源激励的隧道结155

7.1.4量子点电路中的库仑阻塞157

7.2单电子三极管163

7.2.1单电子三极管逻辑168

7.3其他SET与FET结构170

7.3.1碳纳米管三极管（FETs与SETs）170

7.3.2半导体纳米线FETs与SETs172

7.3.3分子SETs和分子电子学174

7.4本章要点176

7.5练习题177

第三部分 多电子现象181

第8章 粒子统计和态密度181

8.1态密度181

8.1.1低维结构的态密度183

8.1.2半导体的态密度184

8.2经典和量子统计185

8.2.1材料中的载流子浓度187

8.2.2费米电子的重要性189

8.2.3半导体中的平衡载流子浓度和费米能级190

8.3本章要点192

8.4练习题192

第9章 半导体量子阱、量子线和量子点模型194

9.1半导体异质结和量子阱195

9.1.1限制模型和二维电子气197

9.1.2量子阱中的能带跃迁200

9.2量子线和纳米线204

9.3量子点和纳米粒子206

9.3.1半导体量子点的应用207

9.3.2等离激元共振和金属纳米粒子211

9.3.3功能化的金属纳米粒子212

9.4纳米结构的加工技术213

9.4.1光刻213

9.4.2纳米压印制图技术214

9.4.3分裂门技术215

9.4.4自组装216

9.5本章要点217

9.6练习题217

第10章 纳米线、弹道输运和自旋输运220

10.1经典和半经典输运221

10.1.1电导的经典理论——自由电子气模型221

10.1.2电导的半经典理论——费米气体模型223

10.1.3经典电导和电阻225

10.1.4金属纳米线的电导率——线半径的影响226

10.2弹道输运229

10.2.1电子碰撞和长度标度229

10.2.2弹道输运模型230

10.2.3量子电阻和电导231

10.2.4量子电阻的起源236

10.3碳纳米管和纳米线237

10.3.1纳米线半径对波速的影响和损耗240

10.4自旋输运和自旋电子学242

10.4.1自旋输运242

10.4.2自旋电子器件和应用245

10.5本章要点246

10.6练习题246

附录A 符号和缩略语249

附录B 材料的物理性质251

附录C 传统MOSFET255

附录D 练习题解答257

参考文献262