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第1章 计算材料学 1

1.1 凝聚态物理与材料计算 1

1.1.1 凝聚态物理理论与应用概述 1

1.1.2 材料科学技术发展现状及趋势 5

1.1.3 计算机与材料设计学 7

1.2 经典的材料计算方法 12

1.2.1 材料计算的主要方法和应用范围 12

1.2.2 微观领域三种主要的计算方法 13

1.3 计算科学在材料学中的应用 23

1.3.1 半导体超晶格 23

1.3.2 团簇体系 25

1.3.3 金属中的缺陷 28

1.3.4 金属化合物掺杂 29

1.3.5 超硬材料 31

1.4 第一性原理的相图热力学计算应用 34

1.4.1 相图计算的发展概述 34

1.4.2 相图计算及常用相模型 36

1.4.3 第一性原理计算相图热力学初探 38

参考文献 39

第2章 无序系统电子输运 41

2.1 无序系统的分类 41

2.2 无序系统模型 43

2.2.1 无序系统的哈密顿量 43

2.2.2 Anderson模型 44

2.2.3 Mott模型 44

2.2.4 纳米材料无序模型 44

2.2.5 DNA分子无序模型 45

2.2.6 无序格点振动模型 46

2.3 无序系统的处理方法 47

2.3.1 负本征值理论 47

2.3.2 无序阶微扰理论及本征矢的计算 48

2.3.3 多对角全随机厄米矩阵本征问题求解 49

2.3.4 雁式矩阵本征问题求解 51

2.3.5 转移矩阵方法 52

2.4 无序系统电子局域态和振动局域模 52

2.4.1 电子态密度 52

2.4.2 无序系统电子波函数局域态 54

2.4.3 无序系统电子波函数局域长度 57

2.4.4 局域态和扩展态的转变 59

2.4.5 准一维无序系统电子态 61

2.4.6 无序系统格点振动局域模 63

2.5 无序系统中的电子输运 65

2.5.1 无序体系电子输运研究进展 65

2.5.2 无序体系电导模型 68

2.5.3 无序体系电子跳跃输运电导公式 69

2.6 纳米材料中的电子输运特性 71

2.6.1 纳米材料结构与电子输运特性的关系 72

2.6.2 纳米材料电子输运与温度的关系 73

2.7 DNA分子中的电子输运 73

2.7.1 DNA分子电导特性 74

2.7.2 DNA分子器件的应用 75

参考文献 76

第3章 超导电性 78

3.1 超导电性的基本现象和性质 78

3.1.1 基本的实验现象 78

3.1.2 超导电性的其他性质 81

3.1.3 两类超导体 82

3.2 传统超导体的唯象模型 84

3.2.1 二流体模型 84

3.2.2 伦敦方程 84

3.2.3 金兹堡-朗道理论 86

3.2.4 磁通量子化 88

3.3 BCS理论 88

3.3.1 电子-电子有效吸引作用 89

3.3.2 库柏对 89

3.3.3 BCS理论的结论 90

3.3.4 微观理论与持续电流 91

3.4 超导隧道效应 92

3.4.1 超导体和正常金属之间的隧道效应 93

3.4.2 两个相同超导体间的隧道效应 94

3.4.3 约瑟夫森效应 95

3.4.4 超导量子干涉器 98

3.5 高TC氧化物超导体 99

3.5.1 高温超导体的发现 99

3.5.2 高温超导体的特征 100

3.5.3 几种氧化物超导体的晶体结构 101

3.5.4 超导态的性质 103

3.6 几个高温超导机制模型 105

3.6.1 极化子-双极化子模型 105

3.5.2 以费米液体理论为基础的超导机制 107

3.5.3 吸引Hubbard模型 108

参考文献 109

第4章 物质的磁性 110

4.1 原子的磁矩 110

4.1.1 电子的轨道磁矩 110

4.1.2 电子的自旋磁矩 111

4.1.3 多电子原子的磁矩 111

4.1.4 原子核的磁矩 113

4.2 物质的磁性 114

4.2.1 抗磁性物质 114

4.2.2 顺磁性物质 116

4.2.3 铁磁性物质 117

4.2.4 反铁磁性物质 121

4.2.5 亚铁磁性物质 125

4.2.6 非共线性磁结构 127

4.3 磁有序物质的局域电子理论 127

4.3.1 海森堡交换相互作用理论 128

4.3.2 间接交换相互作用理论 131

4.3.3 RKKY交换作用理论 135

4.4 磁有序的巡游电子理论 139

4.4.1 斯托纳模型 139

4.4.2 哈特利-福克-斯托纳理论 141

参考文献 147

第5章 声子晶体 149

5.1 引论 149

5.1.1 声子晶体概念 149

5.1.2 声子晶体研究概况 150

5.1.3 声子晶体研究意义 152

5.2 弹性波理论 153

5.3 声子晶体带隙分析方法 158

5.3.1 常用方法简介 158

5.3.2 平面波展开法 159

5.3.3 双组元复合介质 163

5.3.4 两种类型的声子晶体 165

5.3.5 常见的晶体排列 166

5.3.6 二维声子晶体带结构的计算实例 168

5.4 声子晶体缺陷结构分析 171

5.4.1 平面波超元胞法 172

5.4.2 点缺陷 174

5.4.3 线缺陷 179

5.4.4 无序结构 185

5.5 局域共振声子晶体 192

5.5.1 局域共振机制提出的背景 192

5.5.2 局域共振机制 192

5.5.3 组合宽带隙结构 195

5.6 声子晶体的制备与性能测试 198

5.6.1 声子晶体的制备 198

5.6.2 声子晶体性能测试 198

参考文献 202

第6章 光子晶体 205

6.1 基本概念 205

6.2 光子晶体的物理特征 207

6.3 光子晶体的理论与分析方法 209

6.3.1 平面波方法（PWM） 211

6.3.2 差分或有限差分法 212

6.3.3 转移矩阵方法 212

6.3.4 N阶（Order N）法 213

6.3.5 散射矩阵法 213

6.3.6 一维光子晶体中的光子带隙讨论 213

6.3.7 一维光子晶体透、反射系数的传输矩阵方法计算 216

6.4 光子晶体的制备 217

6.4.1 一维光子晶体的制作 218

6.4.2 二维光子晶体的制作 218

6.4.3 三维光子晶体的制作 219

6.5 光子晶体的应用 224

6.5.1 光波控制光学元件设计中的应用 224

6.5.2 发光器件中的应用 227

6.5.3 非线性光子晶体器件 230

6.6 展望 230

参考文献 231

第7章 半导体微电子器件原理与工艺 234

7.1 绪论 234

7.1.1 信息处理技术和材料 235

7.1.2 信息传递技术和材料 237

7.1.3 信息存储技术和材料 237

7.1.4 信息显示技术和材料 238

7.1.5 获取信息的技术和材料 239

7.1.6 小结 240

7.2 半导体物理学 240

7.3 半导体材料 243

7.4 化合物半导体微电子器件及集成电路 247

7.5 半导体光电子器件 251

7.6 电力电子器件 253

7.6.1 应用领域 253

7.6.2 电力电子器件的发展现状与趋势 254

7.7 微电子制造工艺 256

7.7.1 半导体制造中的化学品 257

7.7.2 硅片制造中的沾污控制 259

7.7.3 氧化 260

7.7.4 淀积 262

7.7.5 金属化 264

7.7.6 光刻 265

7.7.7 刻蚀 269

7.7.8 掺杂 270

7.8 微机电系统与敏感器件 273

7.8.1 敏感器件 273

7.8.2 微电子机械系统 275

参考文献 277

第8章 有机电致发光器件原理与制备 278

8.1 有机电致发光的特点 278

8.1.1 有机电致发光颜色的丰富性 278

8.1.2 有机电致发光器件结构的多样性 279

8.1.3 有机电致发光注入电极的重要性 281

8.2 有机电致发光的基本理论 282

8.2.1 不同材料界面的接触效应 282

8.2.2 有机电致发光机理 287

8.3 有机电致发光器件的制备 297

8.3.1 小分子材料器件的制备 297

8.3.2 聚合物器件的制备 297

8.4 金属／有机界面修饰 298

8.4.1 阴极界面修饰 298

8.4.2 阴极界面修饰作用机理 298

8.4.3 阳极界面修饰 300

8.5 有机电致发光器件的效率及寿命 302

8.5.1 发光效率及其影响因素 302

8.5.2 电致发光器件的寿命 303

8.6 有机电致发光器件的驱动方式 303

8.7 优势与挑战 304

参考文献 305

第9章 纳电子原型器件特性与模拟 309

9.1 实验研究进程及器件模型的提出 309

9.2 微电子学技术及超大规模集成电路的发展限制 310

9.3 单电子晶体管和电子存储器 311

9.3.1 库仑堵塞和量子隧穿 312

9.3.2 单电子晶体管的基本结构 312

9.3.3 纳米尺度的单电子晶体管 313

9.3.4 纳米尺度的单电子存储器 315

9.3.5 分子尺度的单电子晶体管 316

9.3.6 单原子尺度的单电子晶体管 316

9.3.7 单电子晶体管的用途 317

9.4 基于量子元胞自动机的逻辑电路 318

9.4.1 量子元胞自动机概论 318

9.4.2 门电路的设计 319

9.4.3 实现方法 322

9.5 碳纳米管的实验与理论研究 323

9.5.1 碳纳米管的形貌 323

9.5.2 碳纳米管的微观结构 324

9.5.3 碳纳米管特性的理论研究 326

9.5.4 碳纳米管特性的实验研究 326

9.5.5 碳纳米管的应用 327

9.6 碳纳米管及其量子原型器件特性模拟 328

9.6.1 碳纳米管电学特性模拟的扩展SSH模型 328

9.6.2 碳纳米管电学特性模拟的计算方法 329

9.6.3 碳纳米管量子原型器件特性模拟 330

参考文献 332

第10章 功能薄膜材料 336

10.1 薄膜制备工艺的研究进展 336

10.2 PVD法制备信息薄膜材料成膜机理研究 340

10.2.1 亚单层薄膜的成膜机理 340

10.2.2 三维生长薄膜的成膜机理 341

10.3 信息薄膜导电机理研究 343

10.4 压敏薄膜 345

10.5 温敏薄膜 349

10.6 湿敏与气敏薄膜 351

10.7 绝缘薄膜 353

10.7.1 氮化铝薄膜 354

10.7.2 Al2O3薄膜 355

10.7.3 MgO薄膜 356

10.7.4 有机绝缘薄膜 356

10.8 高k栅介质薄膜 359

10.9 第三代半导体薄膜 363

10.10 集成电路Cu互连阻挡层薄膜 367

参考文献 372