纳米物理与纳米技术 纳米科学中的现代概念介绍 原书第2版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 纳米，微米，毫米 2

1.2 摩尔（Moore）定律 6

1.3 Esaki量子隧穿二极管 7

1.4 量子点的多种颜色 8

1.5 巨磁电阻100 Gb硬盘读取磁头 10

1.6 汽车上的加速计 11

1.7 纳米孔道过滤器 12

1.8 传统技术中的纳米元素 12

参考文献 13

第2章 当物体尺寸变小时，接近于量子尺度时的体系 14

2.1 小型化系统中机械频率增加 14

2.2 由简单谐振子表示的尺寸缩放关系 17

2.3 由简单电路元件表示的尺寸缩放关系 17

2.4 热时间常数和温度差异的减少 18

2.5 在流体介质中粘滞阻力成为小颗粒的主导力量 18

2.6 在对称分子尺度的体系中摩擦力的消失 20

参考文献 22

第3章 小的限度是什么？ 23

3.1 物质的粒子（量子）本质：光子，电子，原子，分子 23

3.2 纳米发动机和纳米器件的生物学实例 24

3.2.1 线性弹簧发动机 24

3.2.2 轨道上的线性引擎 26

3.2.3 旋转式发动机 27

3.2.4 离子通道，生物中的纳米晶体管 31

3.3 可以把它做到多小？ 33

3.3.1 制造微器件的方法有哪些？ 33

3.3.2 怎样才能看到想要制做的物体？ 33

3.3.3 怎样才能将它与外部世界联系起来？ 36

3.3.4 如果看不见它或连接不到它，能使其进行自组装并自主运作吗？ 36

3.3.5 组装小尺寸三维物体的途径 36

3.3.6 利用DNA链引导纳米尺寸结构的自组装 39

参考文献 41

第4章 纳米世界的量子本质 44

4.1 核原子的玻尔（Bohr）模型 44

4.1.1 角动量量子化 45

4.1.2 玻尔模型的扩展 46

4.2 光和物质的波粒二象性，德布罗意（DeBroglie）方程λ=h/p,E=hv 46

4.3 电子波函数ψ，概率密度ψ*ψ，行波和驻波 47

4.4 麦克斯韦方程；E和B为光子、光纤模式的波函数 50

4.5 海森堡测不准原理 52

4.6 薛定谔方程，量子态和能量，势垒隧穿 53

4.6.1 一维薛定谔方程 53

4.6.2 一维俘获粒子 54

4.6.3 势阶处的反射和隧穿 56

4.6.4 势垒贯穿，阱逃逸时间，共振隧穿二极管 58

4.6.5 二维和三维中的俘获粒子：量子点 59

4.6.6 二维带和量子线 61

4.6.7 简谐振子 63

4.6.8 球型极坐标中的薛定谔方程 64

4.7 氢原子，单电子原子，激发子 64

4.7.1 磁矩 67

4.7.2 磁化强度和磁化率 68

4.7.3 电子偶素和激发子 69

4.8 费米子，玻色子及其占位规则 70

参考文献 70

第5章 宏观世界的量子行为 71

5.1 化学元素周期表 71

5.2 纳米对称性，双原子分子和铁磁体 71

5.2.1 全同性粒子以及它们之间的交换 72

5.2.2 氢分子，H—H：共价键 73

5.3 更加纯粹的纳米物理作用力：范德华力、Casimir力、氢键 75

5.3.1 极性波动力和范德华波动力 76

5.3.2 Casimir力 78

5.3.3 氢键 81

5.4 金属作为自由电子的盒子：费米能级，DOS，维度 83

5.5 周期性结构（如Si、GaAs、InSb、Cu）：电子能带和带隙的Kronig-Penney模型 86

5.6 半导体和绝缘体中的电子能带和传导：局域与离域 91

5.7 类氢施主和受主 95

5.7.1 半导体中的载流子浓度，金属掺杂 95

5.7.2 PN结，电子二极管I（V）特征，注入式激光器 99

5.8 铁磁性的扩展，磁盘存储器的纳米物理学基础 103

5.9 表面的不同，Schottky势垒厚度W=[2εεVB/eNd]1/2 106

5.10 铁电学，压电学和焦热电学：纳米技术发展的最新应用 107

参考文献 115

第6章 自然界和工业中的自组装纳米结构 116

6.1 碳原子12 6C 1s22p4(0.07nm) 117

6.2 甲烷CH4，乙烷C2H6，辛烷C8H18 117

6.3 乙烯C2H4，苯C6H6，乙炔C2H2 118

6.4 C60巴基球（～0.5nm） 119

6.5 C∞纳米管（～0.5nm） 119

6.6 InAs量子点（～5nm） 122

6.7 AgBr纳米晶体（0.1～2μm） 124

6.8 趋磁细菌中的Fe3O4铁磁矿和Fe3S4硫复铁矿纳米粒子 124

6.9 在金和其他光滑表面的自组装单层膜 126

参考文献 127

第7章 基于物理学的纳米制造和纳米技术的实验方法 128

7.1 硅技术：纳米技术中的Intel-IBM方法 129

7.1.1 图形，掩膜，光刻 129

7.1.2 硅的刻蚀 130

7.1.3 界定高导电性电极区域 130

7.1.4 金属和绝缘薄膜的沉积方法 131

7.2 受光波长限制的横向分辨率（线宽），现在是65nm 132

7.2.1 光学和X射线光刻 132

7.2.2 电子束光刻 133

7.3 牺牲层，悬桥，单电子晶体管 133

7.4 硅计算机技术的未来是什么？ 135

7.5 散热和RSFQ技术 136

7.6 扫描探针（机）方法：一次一个原子 140

7.7 扫描隧道显微镜（STM）作为分子组装机的原型 141

7.7.1 移动金原子，制造表面分子 141

7.7.2 用一台STM组装有机分子 144

7.8 原子力显微镜（AFM）阵列 144

7.8.1 光刻制备悬臂阵列 145

7.8.2 用原子力显微镜进行纳米制造 146

7.8.3 采用磁共振原子力显微镜对单电子自旋成像 147

7.9 根本性问题：速率，准确性及其他 149

参考文献 149

第8章 基于磁、电子、核自旋以及超导性的量子技术 151

8.1 Stern-Gerlach实验：电子自旋1/2角动量的观测 154

8.2 双核自旋效应：MRI（磁共振成像）和“21.1cm线” 154

8.3 对于量子计算机来说，电子自旋1/2作量子比特：量子叠加，相干 157

8.4 硬、软铁磁物质 159

8.5 GMR（巨磁阻）的起源：依靠自旋的电子散射 160

8.6 GMR自旋阀，一个纳米物理的磁阻传感器 162

8.7 隧道阀，一个更好的（TMR）纳米物理的磁场传感器 163

8.8 磁性随机存储器（MRAM） 165

8.8.1 磁性隧道结MRAM阵列 165

8.8.2 混合铁磁体-半导体的非易失霍尔（Hall）效应栅器件 165

8.9 自旋注入：Johnson-Silsbee效应 168

8.10 磁逻辑器件：一个多数通用逻辑门 171

8.11 超导体和超导（磁）通量子 173

8.12 Josephson效应和超导量子干涉检测器（SQUID） 174

8.13 超导（RSFQ）逻辑／存储的计算机元件 177

参考文献 179

第9章 硅纳米电子学与超越 181

9.1 带有相干电子的电子干涉器件 181

9.1.1 截断量子波导中的弹道电子输运：实验和理论 184

9.1.2 碳纳米管中清晰可辨的量子干涉效应 185

9.2 碳纳米管传感器和密集型非易失随机读写存储器 186

9.2.1 极性分子的碳纳米管传感器，利用其固有的大电场 187

9.2.2 交叉排列的碳纳米管阵列作为超密超快的非易失随机读写存储器 190

9.3 共振隧道二极管，隧道热电子晶体管 193

9.4 双势阱电势电荷量子比特 195

9.5 单电子晶体管 198

9.5.1 射频单电子晶体管（RFSET），一个已被证明了的有用的研究工具 200

9.5.2 以亚电子电荷解析度读出电荷量子比特 202

9.5.3 SET和RTD（共振隧道二极管）的对比 203

9.6 通过实验方法获得的双阱电荷量子比特 204

9.7 GaAs晶片上的离子俘获，指向一种新的量子比特 210

9.8 单分子作为电子电路上的活性单元 211

9.9 由硅CMOS和分子电子学结合而成的杂化纳米电子学：CMOL 215

参考文献 216

第10章 展望未来 218

10.1 Drexler的机械（分子）轴和轴承 218

10.1.1 Smalley对机器组装的驳斥 218

10.1.2 范德华力可用于无摩擦力轴承？ 221

10.2 分子组装机的概念是有缺陷的 221

10.3 分子机器的革新技术或自复制技术是否会威胁到地球上的生命？ 222

10.4 基因工程和机器人学怎样？ 223

10.5 生物技术和合成生物学中可能存在的社会和伦理问题 226

10.6 会出现福山所预测的后人类未来吗？ 227

参考文献 228

习题 230

简写术语表 238

一些有用的常数 242

检索 243