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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SETs 172

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MOSFET 255

附录D 练习题解答 257

参考文献 262