纳米尺度能量输运和转换 对电子、分子、声子和光子的统一处理PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 小尺度大作为 1

1.2 温度和热量的经典定义 5

1.3 宏观传热理论 6

1.3.1 热传导 6

1.3.2 热对流 6

1.3.3 热辐射 9

1.3.4 能量平衡 11

1.3.5 局部平衡 12

1.3.6 宏观理论下的缩放趋势 12

1.4 热载流子及其输运的微观描述 13

1.4.1 热载流子 13

1.4.2 热载流子的容许能级 15

1.4.3 能量载流子的统计分布 16

1.4.4 简单动理学理论 18

1.4.5 平均自由程 19

1.5 微纳尺度输运现象 20

1.5.1 经典尺寸效应 20

1.5.2 量子尺寸效应 21

1.5.3 快速输运现象 21

1.6 本书的结构 23

本章符号表 24

参考文献 25

习题 27

第2章 物质波和能量量子化 31

2.1 波的基本特性 31

2.2 物质的波动性 33

2.2.1 光的波粒二象性 33

2.2.2 物质波 34

2.2.3 薛定谔方程 35

2.3 薛定谔方程求解举例 37

2.3.1 自由粒子 37

2.3.2 一维势阱中的粒子 38

2.3.3 电子自旋和泡利不相容原理 41

2.3.4 谐振子 42

2.3.5 刚性转子 45

2.3.6 氢原子的电子能级 46

2.4 本章小结 50

本章符号表 51

参考文献 52

习题 53

第3章 固体中的能态 56

3.1 晶体结构 56

3.1.1 实空间晶格的描述 56

3.1.2 实际晶体 59

3.1.3 晶体结合势 61

3.1.4 倒易格子 63

3.2 晶体中的电子能态 66

3.2.1 一维周期势能（克勒尼希-彭尼模型） 66

3.2.2 实际晶体中电子能带 71

3.3 晶格振动和声子 73

3.3.1 一维单原子晶格链 73

3.3.2 能量量子化和声子 75

3.3.3 一维双原子和多原子晶格链 76

3.3.4 三维晶体中的声子 76

3.4 态密度 77

3.4.1 电子态密度 78

3.4.2 声子态密度 79

3.4.3 光子态密度 80

3.4.4 微分态密度和立体角 80

3.5 人工结构中的能级 81

3.5.1 量子阱、量子线、量子点和碳纳米管 81

3.5.2 人工周期结构 83

3.6 本章小结 85

本章符号表 86

参考文献 87

习题 88

第4章 统计热力学与热能储存 91

4.1 系综和统计分布函数 91

4.1.1 微正则系综和熵 92

4.1.2 正则系综和巨正则系综 93

4.1.3 分子配分函数 96

4.1.4 费米-狄拉克分布、玻色-爱因斯坦分布和玻尔兹曼分布 99

4.2 内能和比热 101

4.2.1 气体 101

4.2.2 晶体中的电子 103

4.2.3 声子 105

4.2.4 光子 107

4.3 内能和比热的尺寸效应 108

4.4 本章小结 110

本章符号表 112

参考文献 113

习题 114

第5章 波的能量传递 117

5.1 平面波 117

5.1.1 平面电子波 118

5.1.2 平面电磁波 118

5.1.3 平面声波 122

5.2 平面波的界面反射和折射 124

5.2.1 电子波 124

5.2.2 电磁波 125

5.2.3 声波 130

5.2.4 边界热阻 132

5.3 波在薄膜中的传播 136

5.3.1 电磁波的传播 136

5.3.2 声子和声波 140

5.3.3 电子波 142

5.4 衰逝波和隧穿 142

5.4.1 衰逝波 142

5.4.2 隧穿 143

5.5 纳米结构中的能量传递：朗道尔公式 145

5.6 由波过渡到粒子的描述 149

5.6.1 波包和群速度 150

5.6.2 相干性和过渡到粒子描述 152

5.7 本章小结 159

本章符号表 160

参考文献 162

习题 165

第6章 输运过程的粒子描述：经典定律 168

6.1 刘维尔方程与玻尔兹曼方程 168

6.1.1 相空间和刘维尔方程 169

6.1.2 玻尔兹曼方程 170

6.1.3 能流强度 172

6.2 载流子散射 172

6.2.1 散射积分和弛豫时间近似 172

6.2.2 声子散射 175

6.2.3 电子散射 177

6.2.4 光子散射 177

6.2.5 分子散射 178

6.3 经典本构方程 179

6.3.1 傅里叶定律与声子热导率 179

6.3.2 牛顿剪切应力定律 182

6.3.3 欧姆定律与维德曼-弗兰兹定律 183

6.3.4 热电效应与昂萨格关系 187

6.3.5 双曲型热传导方程及其适用性 190

6.3.6 局部平衡的含义及扩散理论的适用范围 192

6.4 守恒方程 193

6.4.1 纳维-斯托克斯方程 193

6.4.2 电流体力学方程 196

6.4.3 声子流体力学方程组 197

6.5 本章小结 201

本章符号表 202

参考文献 204

习题 206

第7章 经典尺寸效应 208

7.1 平行于边界的电子与声子传导的尺寸效应 209

7.1.1 沿薄膜的导电 210

7.1.2 沿薄膜的声子导热 212

7.2 垂直于边界的输运 215

7.2.1 两平行平板间的热辐射 215

7.2.2 通过薄膜和超晶格的热传导 220

7.2.3 在两平行平板间稀薄气体的导热 221

7.2.4 通过异质结的电流 225

7.3 稀薄泊肃叶流和克努森最小值 226

7.4 在非平面结构中的输运 230

7.4.1 同轴柱体和球体之间的热辐射 230

7.4.2 稀薄气体流动及其对流 231

7.4.3 声子热传导 231

7.4.4 多维输运问题 231

7.5 考虑扩散-透射边界条件的扩散近似 232

7.5.1 两平行平板间热辐射 234

7.5.2 薄膜中的热传导 235

7.5.3 穿过界面的电子输运：热电子发射 236

7.5.4 稀薄气体流动的速度滑移 239

7.6 弹道-扩散处理法 242

7.6.1 热辐射的改进的微分近似法 243

7.6.2 声子输运的弹道-扩散方程 244

7.7 本章小结 247

本章符号表 248

参考文献 250

习题 253

第8章 能量转化与耦合输运过程 256

8.1 载流子的散射、产生与复合 256

8.1.1 电子-声子间非平衡相互作用 257

8.1.2 光子吸收与载流子激发 263

8.1.3 激发态载流子的弛豫与复合 266

8.1.4 再论玻尔兹曼方程 268

8.2 无复合的非平衡电子-声子耦合输运过程 269

8.2.1 短脉冲激光加热金属中的热电子效应 271

8.2.2 半导体器件中的热电子和热声子效应 271

8.2.3 能量转换装置中的冷声子和热声子 273

8.3 半导体中的能量交换和复合 273

8.3.1 能量源项公式 274

8.3.2 p-n结中的能量转化 276

8.3.3 半导体的热辐射 282

8.4 用于能量转化的纳米结构 283

8.4.1 热电器件 283

8.4.2 太阳能电池和热光伏能量转换 286

8.5 本章小结 289

本章符号表 290

参考文献 292

习题 295

第9章 液体及其界面 298

9.1 体相液体及其输运特性 298

9.1.1 径向分布函数和范德瓦耳斯状态方程 298

9.1.2 液体动理学理论 300

9.1.3 布朗运动和朗之万方程 304

9.2 粒子及界面间的作用力和势能 307

9.2.1 分子间势 308

9.2.2 表面间范德瓦耳斯势能及作用力 309

9.2.3 界面处双电层势能及作用力 311

9.2.4 分子结构产生的表面力和势能 315

9.2.5 表面张力 315

9.3 单相流动和对流的尺寸效应 318

9.3.1 微、纳通道的压力驱动流和传热 319

9.3.2 电动流动 320

9.4 相变的尺寸效应 322

9.4.1 曲率对液滴的蒸汽压的影响 323

9.4.2 平衡态相变温度的曲率效应 324

9.4.3 扩展到固体微粒 325

9.4.4 表面张力的曲率效应 325

9.5 本章小结 326

本章符号表 328

参考文献 329

习题 331

第10章 分子动力学模拟 333

10.1 运动方程 334

10.2 原子间势能 337

10.3 动力学模拟的统计基础 340

10.3.1 时间平均与系综平均 341

10.3.2 响应函数和克拉默斯-克勒尼希关系 342

10.3.3 线性响应理论 343

10.3.4 对内部热扰动的线性响应 348

10.3.5 热力学和输运特性的微观表达 350

10.3.6 恒温系综 352

10.4 运动方程求解 355

10.4.1 运动方程的数值积分 355

10.4.2 初始条件 356

10.4.3 周期性边界条件 356

10.5 热输运的分子动力学模拟 357

10.5.1 平衡态分子动力学模拟 357

10.5.2 非平衡态分子动力学模拟 360

10.5.3 纳米尺度下热输运的分子动力学模拟 362

10.6 本章小结 363

本章符号表 364

参考文献 366

习题 370

附录A 均匀半导体 372

附录B 半导体p-n结 375

索引 377

单位及其换算 387

物理常量 388

译者后记 389