纳米力学基础 从固态理论到器件应用PDF电子书下载

1 引言：一维原子链 1

1.1　双原子分子 1

1.1.1　外力 2

1.1.2　动力学特征 4

1.2　三原子链 5

1.2.1　作用于三聚体的外力 6

1.2.2　三原子链的应变 6

1.2.3　动力学过程 6

1.3　N链节分子：N个原子的一维链 8

1.3.1　简正坐标 10

1.3.2　相速度和群速度 12

1.3.3　固定边界条件 13

1.3.4　横向运动 13

1.4　具有光学模的一维链 16

1.5　一维链的量子力学和热力学 17

1.6　一维链的温度影响 18

1.6.1　N原子链的比热容 19

1.6.2　热膨胀 21

1.7　简正模的量子算符 22

1.7.1　简谐振子的量子算符 22

1.7.2 N原子链的量子力学算符 23

习题 24

2　二维和三维晶格 26

2.1 晶格 26

2.2　二维晶体 27

2.3　三维晶体 28

2.3.1　单基晶体结构 29

2.4　周期函数 30

2.4.1　一维傅立叶级数 30

2.4.2　二维和三维傅立叶级数：倒格子 31

2.4.3　倒易空间点阵：实例 32

2.5　布洛赫定理 33

2.6　晶格点阵的经典理论 34

2.6.1　双原子互作用势 36

2.6.2　二维和三维的边界条件 37

2.6.3　晶格的简正模 38

2.6.4　光频支声子 45

2.7　简正模的哈密顿函数 46

2.7.1　简正模的量子算符 47

2.8 与固体经典连续介质理论的联系 48

习题 51

3　声子气的性质 53

3.1　声子气的比热容 53

3.1.1　基本热声子波长 57

3.2　作为粒子的声子：位置、动量和散射 60

3.2.1　声子的动量和能量 62

3.3　点缺陷处的声子散射 63

3.4　声子间的相互作用 66

3.4.1　声子间的相互作用：温度的影响 69

3.4.2　高阶声子间的相互作用 69

3.4.3　Akhiezer效应 70

3.5　电子-声子散射 72

3.5.1　压电互作用 77

3.6　声子的热导率 79

3.6.1　玻耳兹曼方程 81

3.6.2　热传导的量子论 84

3.6.3　金属中的热导率 85

习题 87

4　应力和应变 88

4.1　相对位移和应变 88

4.2　应变主轴 92

4.3　叠加原理 94

4.3.1　应变的欧拉定义 95

4.4　应力张量 95

4.4.1　应力张量的对称性 98

4.5　应力张量的性质 98

4.5.1　应力张量的变换 98

4.5.2　任意斜截面上的应力 99

4.5.3　应力主轴 100

4.6 任意形状的物体和非均匀应力 101

4.7　体力 102

4.7.1 考虑体力作用时的力矩平衡 102

习题 104

5　弹性关系 106

5.1　弹性响应的分类 106

5.2　线弹性响应 107

5.2.1　应力应变的六矢量表示法 108

5.2.2　弹性刚度 108

5.3 正交各向异性材料和各向同性材料 109

5.4　晶体材料 112

5.5　应变-应力关系 113

5.6　多晶体材料 115

5.7　结论 115

习题 115

6　固体的静变形 117

6.1　静变形固体的方程组 117

6.1.1　边界条件 118

6.2　拉力 119

6.2.1　受端部力梁的伸长 119

6.2.2　体力作用下梁的伸长 120

6.3　梁的弯曲 121

6.3.1　纯弯曲 122

6.3.2　轴线的位移 123

6.3.3　圣维南原理 124

6.4　梁的欧拉-伯努利理论 124

6.4.1 由局部载荷引起的剪力和弯矩 126

6.4.2　剪切位移 127

6.4.3　边界条件 128

6.4.4　集中力 128

6.4.5　一般弯曲问题的结果 129

6.5　受扭转梁 130

6.5.1　非圆截面柱体的扭转 131

6.6　二维问题 131

6.6.1　平面应变 131

6.6.2　平面应力 133

6.7　三维问题 134

习题 135

7　固体的动力学特性 137

7.1　简单振动方式：梁的振动 137

7.1.1　纵向振动 137

7.1.2　圆柱体的扭转振动 140

7.1.3　纵向振动和扭转振动的应力和应变 142

7.1.4　弯曲振动 143

7.2　各向同性固体的动力学方程 147

7.3　无限大各向同性体中的波 149

7.3.1　膨胀波和旋转波 149

7.3.2　标量势Ф与矢量势H 150

7.3.3　与时间相关的体力 151

7.4　无限大晶体中的波 153

7.4.1 晶体中的能量流和坡印廷矢量 154

7.5　半无限大各向同性体中的波 156

7.5.1 以法向入射的入射波 157

7.5.2　任意角度的入射波 158

7.5.3　瑞利波 161

7.6　平板中的波 162

7.6.1　平板中的剪切水平波 163

7.6.2　平板中波的一般问题 164

7.7　杆中的波 167

7.7.1　扭转波 168

7.7.2　纵波 168

7.7.3　弯曲波 169

7.8　小结 169

习题 169

8 力学系统中的耗散和噪声 169

8.1 朗之万（Langevin）方程 171

8.1.1　耗散和品质因数 173

8.1.2　衰减 174

8.2 非弹性固体的齐纳（Zener）模型 174

8.2.1　双级系统 175

8.3　热弹性松弛 176

8.4　声子的相互作用 177

8.4.1　金属中的耗散 178

8.5 纳米尺度及机械谐振器的耗散 179

8.5.1　受激励有阻尼的梁 180

8.5.2　耗散引起的振幅噪声 181

8.5.3　耗散引起的相位噪声 183

8.5.4　频率噪声 184

8.5.5　阿伦（Allan）方差 185

习题 185

9　实验纳米结构 186

9.1　一个简单的制造程序 186

9.2　挠性谐振器 187

9.2.1　高频挠性谐振器 187

9.2.2　非线性谐振器 191

9.2.3　两端自由谐振器 195

9.3　参数谐振器：Mathieu振子 197

9.3.1　光参数谐振器 202

9.4　机械静电计 202

9.5　纳米结构中的热传导 204

9.6　电子输运与机械运动的耦合 205

9.7　磁共振力显微技术 207

10　纳米结构制造Ⅰ 212

10.1　材料 212

10.2　光刻原理 213

10.2.1 光学曝光 213

10.2.2　电子束曝光 215

10.2.3　聚焦离子束 219

10.2.4 扫描探针技术：AFM和STM 219

10.2.5　压印技术 220

10.2.6 自组装单层 221

10.3　干法刻蚀技术 221

10.3.1　等离子体刻蚀 221

10.3.2　反应离子刻蚀 222

10.3.3　反应气体的化学性质 223

10.3.4　硅和硅酸盐反应离子刻蚀 223

10.3.5 GaAs和CaAlAs反应离子刻蚀 224

10.3.6　金属的反应离子刻蚀 225

10.3.7　反应离子刻蚀掩模 225

10.3.8　离子束刻蚀 225

10.3.9　终点检测 226

10.4　湿法刻蚀技术 227

10.4.1　硅刻蚀剂 228

10.5　薄膜沉积 231

10.5.1　薄膜的蒸发与溅射沉积 231

10.5.2　化学气相沉积 233

10.5.3　硅掺杂 236

10.5.4　离子注入法 237

10.6　隧道结制造：悬浮掩模 238

11　纳米结构制造Ⅱ 240

11.1　体单晶硅纳米加工 240

11.1.1　硅再生长结构 242

11.2　外延异质结构的纳米加工 243

11.2.1 SIMOX和SLICE晶片 243

11.3　多晶结构纳米加工 244

11.4　以GaAs异质结构为基础的纳米加工 245

11.5　临界点干燥 246

A　数学工具 248

A.1　标量、矢量、张量 248

A.1.1　矢量 248

A.1.2　张量 250

A.2　本征值与本征矢 251

A.3　狄拉克δ函数 252

B　应力与应变的相容关系C　符号参教文献 258