第1章 导论 1
1.1 宏观公式的局限 1
1.2 长度尺度 3
1.3 从古代哲学到现代技术 4
1.3.1 微电子与信息技术 5
1.3.2 激光、光电子和纳米光子学 6
1.3.3 微加工和纳米加工 8
1.3.4 微小结构的探测和控制 11
1.3.5 能量转换器件 12
1.3.6 生物分子影像学和分子电子学 13
1.4 本书的目的与结构 15
参考文献 18
第2章 宏观热科学概论 21
2.1 热力学基础 21
2.1.1 热力学第一定律 22
2.1.2 热力学平衡和第二定律 22
2.1.3 热力学第三定律 26
2.2 热力学函数和性质 27
2.2.1 热力学关系式 27
2.2.2 吉布斯相律 28
2.2.3 比热容 30
2.3 理想气体和理想不可压缩模型 31
2.3.1 理想气体 31
2.3.2 不可压缩固体和液体 33
2.4 传热基础 34
2.4.1 热传导 34
2.4.2 对流 36
2.4.3 辐射 37
2.5 小结 41
参考文献 41
习题 42
第3章 统计热力学和量子理论的基本原理 47
3.1 独立粒子的统计力学 47
3.1.1 宏观态与微观态 48
3.1.2 相空间 48
3.1.3 量子力学考虑 49
3.1.4 不同统计方法的平衡分布 50
3.2 热力学关系式 54
3.2.1 热量和功 54
3.2.2 熵 54
3.2.3 拉格朗日乘子 55
3.2.4 绝对零度时的熵 55
3.2.5 关于配分函数的宏观参数 56
3.3 理想分子气体 57
3.3.1 单原子理想气体 57
3.3.2 麦克斯韦速度分布 59
3.3.3 双原子和多原子理想气体 60
3.4 统计系综与波动 64
3.5 基本量子力学 65
3.5.1 薛定谔方程 66
3.5.2 势阱或箱子里的粒子 67
3.5.3 刚性转子 69
3.5.4 原子发射和玻尔半径 70
3.5.5 谐振子 72
3.6 分子或原子的光子发射和吸收 73
3.7 相对论中的能量、质量和动量 75
3.8 小结 76
参考文献 76
习题 77
第4章 动力学理论和微纳米流体力学 81
4.1 稀薄气体的动力学描述 81
4.1.1 局部平均和通量 82
4.1.2 平均自由程 84
4.2 输运方程与理想气体性质 86
4.2.1 剪切力和粘度 87
4.2.2 热扩散 88
4.2.3 质量扩散 89
4.2.4 分子间作用力 91
4.3 玻耳兹曼输运方程 92
4.3.1 流体动力学方程 93
4.3.2 傅里叶定律和热导率 95
4.4 微纳米流体力学及传热 96
4.4.1 克努森数和流动区域 97
4.4.2 速度滑移和温度跳跃 99
4.4.3 气体导热——从连续流到自由分子区 103
4.5 小结 105
参考文献 106
习题 107
第5章 固体的热物性及尺度效应 110
5.1 固体比热容 110
5.1.1 固体晶格振动：声子气 110
5.1.2 德拜比热模型 112
5.1.3 金属中的自由电子气 114
5.2 比热容的量子尺寸效应 118
5.2.1 周期性边界条件 118
5.2.2 晶格比热容的一般表达式 119
5.2.3 维数 119
5.2.4 含量子阱的薄膜 121
5.2.5 纳米晶体和碳纳米管 122
5.3 固体的电导率和热导率 123
5.3.1 电导率 124
5.3.2 金属的热导率 126
5.3.3 从BTE推导电导率 127
5.3.4 绝缘体的热导率 129
5.4 热电学 132
5.4.1 泽贝克效应和热电势 133
5.4.2 佩尔捷效应和汤姆逊效应 134
5.4.3 热电发电和致冷 135
5.4.4 昂萨格定理和不可逆热力学 137
5.5 经典尺寸效应对电导率和热导率以及量子传导的影响 138
5.5.1 基于几何因子的经典尺寸效应 139
5.5.2 基于BTE的经典尺寸效应 141
5.5.3 量子传导 145
5.6 小结 148
参考文献 149
习题 152
第6章 电子与声子传输 156
6.1 霍尔效应 156
6.2 固体的一般分类 158
6.2.1 原子中的电子 158
6.2.2 绝缘体、导体和半导体 159
6.2.3 固体中的原子结合 160
6.3 晶体结构 162
6.3.1 布拉伐格子 163
6.3.2 原始向量与原胞 165
6.3.3 两个或更多原子的基元 166
6.4 电子能带结构 169
6.4.1 倒易格子和第一布里渊区 169
6.4.2 布洛赫定理 170
6.4.3 金属和半导体的能带结构 173
6.5 声子色散和散射 174
6.5.1 一维双原子链 175
6.5.2 实际晶体的色散关系 176
6.5.3 声子散射 177
6.6 电子发射和隧穿 181
6.6.1 光电效应 181
6.6.2 热电子发射 182
6.6.3 场发射和电子隧穿 184
6.7 半导体器件中的电输运 186
6.7.1 数密度、迁移率和霍尔效应 186
6.7.2 生成和复合 189
6.7.3 pn结 190
6.7.4 光电应用 192
6.8 小结 193
参考文献 194
习题 196
第7章 纳米材料非平衡态的能量传递 199
7.1 唯象理论 200
7.1.1 双曲热传导方程 202
7.1.2 双相滞后模型 205
7.1.3 双温度模型 209
7.2 分层结构中的热传导 212
7.2.1 声子辐射传递方程 212
7.2.2 EPRT的求解 215
7.2.3 边界热阻 219
7.3 热传导范畴 222
7.4 小结 224
参考文献 224
习题 227
第8章 热辐射基础知识 230
8.1 电磁波 232
8.1.1 麦克斯韦方程组 232
8.1.2 波动方程 233
8.1.3 偏振 235
8.1.4 能量通量和能量密度 236
8.1.5 介电函数 236
8.1.6 传播波和衰逝波 238
8.2 黑体辐射：光子气 239
8.2.1 普朗克定律 239
8.2.2 辐射测温 242
8.2.3 熵和辐射压强 244
8.2.4 普朗克定律的局限性 247
8.3 半无限大介质的辐射特性 248
8.3.1 平面波的反射和折射 248
8.3.2 发射率 252
8.3.3 双向反射 253
8.4 介电函数模型 254
8.4.1 Kramers-Kronig色散关系式 255
8.4.2 自由载流子的德鲁德模型 256
8.4.3 晶格吸收的洛伦兹振子模型 258
8.4.4 半导体 260
8.4.5 超导体 263
8.4.6 超材料的磁响应 264
8.5 小结 266
参考文献 266
习题 267
第9章 纳米材料的辐射特性 271
9.1 单层结构的辐射特性 271
9.1.1 厚层中的射线踪迹法 271
9.1.2 薄膜 273
9.1.3 部分相干 276
9.1.4 表面散射的影响 279
9.2 多层结构的辐射特性 281
9.2.1 两层或三层薄膜 281
9.2.2 矩阵方程 282
9.2.3 厚基底上薄膜的辐射特性 284
9.2.4 局部能量密度和吸收分布 285
9.3 光子晶体 285
9.4 周期性光栅 288
9.4.1 严格耦合波分析 289
9.4.2 有效介质理论 292
9.5 双向反射率分布函数 292
9.5.1 分析模型 293
9.5.2 蒙特卡罗法 294
9.5.3 表面特征 296
9.5.4 BRDF测量 297
9.5.5 模拟与测量结果的比较 298
9.6 小结 300
参考文献 301
习题 302
第10章 近场能量传递 306
10.1 全内反射、导波和光子隧穿 307
10.1.1 古斯-汉欣位移 307
10.1.2 波导和光纤 310
10.1.3 耦合衰逝波的光子隧穿 313
10.1.4 近距离放置的电介质之间的热能传递 315
10.1.5 通过周期性电介质层的共振隧穿 317
10.1.6 负折射率材料的光子隧穿 319
10.2 极化激元或表面电磁波 321
10.2.1 表面等离子体与声子极化激元 321
10.2.2 耦合的表面极化激元和体极化激元 326
10.2.3 层状结构的极化增强透射 329
10.2.4 通过纳米结构的辐射传输 331
10.2.5 用于完美成像和能量流线的超透镜 333
10.3 热辐射的光谱和方向控制 337
10.3.1 光栅和微腔 339
10.3.2 超材料 342
10.3.3 为相干热辐射而改性的光子晶体 343
10.4 在纳米距离的辐射传热 346
10.4.1 波动电动力学 346
10.4.2 平行平板间的传热 348
10.4.3 近似表达式 350
10.4.4 掺杂硅之间的纳米尺度辐射传热 350
10.5 小结 354
参考文献 355
习题 358
附录A 物理常数，转换因子，以及国际单位制（SI）词头 362
附录B 数学背景知识 363
B.1 一些有用的公式 363
B.1.1 级数和积分 363
B.1.2 误差函数 364
B.1.3 斯特林公式 364
B.2 拉格朗日乘数法 365
B.3 排列组合 365
B.4 事件和概率 367
B.5 分布函数和概率密度函数 368
B.6 复变函数 370
B.7 平面波求解方法 371
B.8 索末菲展开式 373
索引 376
译者后记 395