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第1章 量子输运1

1.1引言1

1.2电子输运理论方法简介3

1.2.1 Boltzmann方程3

1.2.2线性响应6

1.2.3散射（Landauer-Buittiker）公式8

1.2.4非平衡态格林函数公式18

1.2.5含时电子输运25

1.3界面电阻29

1.3.1金属的界面电阻30

1.3.2 Al/Ag界面各向异性的成因31

1.3.3 Al/Ag的界面无序散射34

1.3.4 Al/Ag界面的结构弛豫及其对输运的影响36

1.3.5其他晶格匹配的界面39

1.3.6 晶格不匹配的界面44

1.4非局域自旋阀中的自旋输运45

1.4.1磁电电路理论45

1.4.2非局域自旋阀输运的理论模型47

1.4.3非局域角度磁电阻和自旋转矩51

1.5铁磁/超导界面60

1.5.1 Andreev电导的散射公式表示61

1.5.2铁磁超导界面的BTK理论与自旋翻转效应65

1.5.3 Andreev电导谱计算实例68

1.6隧道结70

1.6.1 Fe/vac/Fe的输运70

1.6.2 Fe/MgO/Fe的输运与自旋转矩效应76

1.7总结89

参考文献90

第2章 半导体自组织量子点的微观赝势理论97

2.1量子点的结构、生长和应用97

2.1.1量子点的分类97

2.1.2自组织量子点的生长98

2.1.3单量子点的获得及其光谱99

2.1.4自组织量子点的应用100

2.1.5 1982～2010年自组织量子点研究的主要进展103

2.2半导体量子点的微观赝势理论105

2.2.1晶格弛豫的微观模型：价键模型105

2.2.2单粒子能级：经验赝势方法106

2.2.3多体问题的组态相互作用方法110

2.3量子点的单粒子能级和多粒子相图111

2.3.1 InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的应变111

2.3.2单粒子的能级和波函数114

2.3.3量子点的多粒子相图118

2.4 InAs/GaAs和InAs/InP量子点的光学性质124

2.4.1 InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的激子能量和偏振性质124

2.4.2激子、双激子和带电激子的结合能126

2.4.3激子、双激子以及带电激子的寿命129

2.4.4高带电激子的发光谱131

2.5量子点中的精细结构劈裂及控制133

2.5.1量子点纠缠光源133

2.5.2精细结构劈裂和量子点的对称性135

2.5.3 InAs/InP和InAs/GaAs量子点中的FSS136

2.5.4精细结构劈裂、发光偏振在单轴应力下的关系140

2.6总结144

参考文献145

第3章 纳米光子学常用的数值计算方法150

3.1引言150

3.1.1纳米光子学简述150

3.1.2光子晶体151

3.1.3表面等离子体光子学152

3.1.4纳米光子学器件前沿152

3.2光子晶体能带计算与平面波展开方法154

3.2.1引言和理论基础154

3.2.2三维光子晶体普遍理论156

3.2.3二维光子晶体理论158

3.2.4计算实例160

3.2.5小结165

3.3时域有限差分方法166

3.3.1引言和理论基础166

3.3.2数值迭代方法169

3.3.3数值稳定性条件171

3.3.4吸收边界条件173

3.3.5激励源设置177

3.3.6计算流程178

3.3.7 FDTD方法在光子晶体上的应用179

3.3.8计算实例181

3.3.9小结185

3.4基于平面波展开的传递矩阵方法185

3.4.1理论基础和T传递矩阵和S传递矩阵的推导185

3.4.2结构对称性的应用和问题的简化197

3.4.3光子晶体透射和反射光谱求解207

3.4.4光子晶体能带结构求解208

3.4.5 Bloch模式散射方法209

3.4.6 计算实例216

3.4.7传递矩阵方法和FDTD方法的比较226

3.4.8小结227

3.5特殊几何结构与解析模式方法228

3.5.1光散射的基本理论228

3.5.2圆柱形介质颗粒的散射232

3.5.3球形介质颗粒的散射理论239

3.5.4多重散射理论246

3.55小结246

3.6金属纳米颗粒与离散偶极子方法247

3.6.1离散偶极子近似方法的模型与理论247

3.6.2与Mie理论以及实验的比较253

3.6.3金属纳米颗粒共振模式的定量分析方法256

3.6.4银纳米立方体的共振模式分析261

3.6.5小结267

3.7总结和展望268

参考文献271

第4章 基于石墨烯纳米带的电子器件设计275

4.1石墨烯纳米带的基本结构和性质276

4.1.1石墨烯纳米带的结构特征和制备276

4.1.2石墨烯纳米带的电子性质280

4.1.3 zigzag型石墨烯纳米带的电子输运性质285

4.2缺陷对石墨烯纳米带电子学性质的影响288

4.2.1石墨烯纳米带边缘的本征缺陷288

4.2.2石墨烯纳米带中的杂质缺陷298

4.3石墨烯纳米带边缘的化学修饰301

4.3.1原子和原子基团对石墨烯纳米带边缘悬挂键的饱和301

4.3.2气体分子在悬挂键上的吸附304

4.4石墨烯纳米带的褶皱308

4.4.1石墨烯纳米带的边缘稳定性308

4.4.2石墨烯纳米带边缘的稳定方法：悬挂键饱和以及边缘重构313

4.5基于石墨烯纳米带的场效应晶体管设计315

4.5.1基于石墨烯纳米带的Z字形场效应晶体管315

4.5.2基于石墨烯纳米带的Z字形单极性场效应晶体管319

4.5.3基于单根zigzag型石墨烯纳米带的直线型场效应晶体管321

4.6总结322

参考文献322

第5章 纳米尺度受限水的流动特性及浸润特性327

5.1引言327

5.2外力引起的形变对纳米通道内水分子行为的影响328

5.2.1模拟系统328

5.2.2水分子数与净流量变化330

5.2.3水分子的概率密度分布331

5.2.4碳纳米管内的氢键332

5.2.5水分子取向333

5.2.6 自由能的计算335

5.2.7驻波形状密度分布产生的机制337

5.2.8碳纳米管良好开关效应的理论分析343

5.2.9小结345

5.3外加电场对于纳米通道内水分子行为的影响345

5.3.1外加电场的开关效应347

53.2小结353

5.4外部电荷分布引起的碳纳米管中水分子的定向传输353

5.4.1模拟系统354

5.4.2小结356

5.5利用电荷操纵单壁碳纳米管内的生物分子356

5.5.1模拟系统357

5.5.2操控单壁碳纳米管内的水和短肽分子混合体359

5.5.3电荷的移动速率和距管壁的距离对操纵的影响362

5.5.4操控单壁碳纳米管内含带电残基的生物分子363

5.5.5实验可行性366

5.5.6小结367

5.6外界环境对纳米管道中水流传输行为的影响368

5.7纳米通道长度对于其内水分子行为的影响371

5.8表面有序水对表面浸润性质的影响375

5.8.1模拟系统378

5.8.2水层上的水滴379

5.8.3实验可能性384

5.84小结385

5.9总结386

参考文献387

第6章 多铁性纳米结构磁电效应的计算模拟与器件设计393

6.1引言393

6.2多铁性磁电纳米结构的连续介质理论模拟396

6.2.1正磁电效应的连续介质理论模拟396

6.2.2逆磁电效应的连续介质理论模拟401

6.2.3基于连续介质理论计算的新型磁电器件设计410

6.3多铁性磁电纳米结构的第一性原理计算421

6.3.1界面成键型磁电效应421

6.3.2界面自旋极化载流子调制的磁电效应424

6.3.3基于第一性原理计算的新型磁电器件设计428

6.4多铁性磁电纳米结构的相场模拟429

6.4.1正磁电效应的相场模拟429

6.4.2逆磁电效应的相场模拟432

6.4.3基于相场模拟的新型磁电器件设计436

6.5结语442

参考文献443

第7章 基于理论计算的能带调控及热电材料设计451

7.1引言451

7.2理论方法452

7.2.1密度泛函理论简介452

7.2.2玻尔兹曼电输运理论454

7.2.3能带与电输运性能若干问题的探讨456

7.2.4基于分子动力学的晶格热导计算方法457

7.3 I型过渡金属替换Ba8MxGe46-x笼合物组分及能带调控459

7.4 Half-Heusler化合物中的理论筛选463

7.5填充方钴矿能带及最佳掺杂量的研究468

7.5.1 n型填充方钴矿468

7.5.2 p型填充方钴矿472

7.6晶格热导率计算在材料中的应用477

7.7结语485

参考文献486

第8章 原子团簇的理论模拟492

8.1团簇简介及研究状况492

8.1.1团簇的基本性质492

8.1.2团簇理论研究的主要方向493

8.2团簇研究的理论方法494

8.2.1经验势方法494

8.2.2半经验方法496

8.2.3第一性原理方法497

8.3团簇的结构确定和电子性质500

8.3.1 Si团簇的生长模式及光电子能谱500

8.3.2 Gen团簇的电子性质与极化率506

8.4过渡金属团簇的磁性质509

8.4.1 Sc团簇随尺寸变化的磁性质510

8.4.2双金Co-Cu团簇随组分变化的磁行为512

8.4.3 ［Mn13＠Au20］-与［Co13＠Au20］-包裹团簇的磁行为514

8.4.4双金CMn团簇中的磁非共线性行为516

8.5团簇的吸附行为517

8.5.1 Sc团簇对O原子、CO分子的吸附行为518

8.5.2 Vn团簇对O2、 C2H4分子的吸附和共吸附行为522

8.5.3双金Co-Mn团簇对CO分子的吸附行为526

8.6结语与展望528

参考文献529

第9章 金属表面分子自组装的理论研究534

9.1引言534

9.2金属表面自组装单分子层的基础理论535

9.2.1金属表面电子结构及其功函数535

9.2.2从单分子到单分子层536

9.2.3金属表面自组装单分子层538

9.3分子主体极化率对Au（111）面自组装层电子结构的影响543

9.3.1研究动机及研究体系543

9.3.2计算细节544

9.3.3分子主体的电子性质545

9.3.4表面SAMs结构546

9.3.5 Au（111）面自组装层的电子结构546

9.3.6小结552

9.4金属与自组装层之间的成键偶极552

9.4.1研究动机及研究体系552

9.4.2计算细节554

9.4.3饱和分子方法554

9.4.4自由基方法556

9.4.5小结557

9.5 Au（111）表面吸附吡啶自组装层的电子结构558

9.5.1研究动机及研究体系558

9.5.2计算细节559

9.5.3结合能560

9.5.4孤立分子层的电子结构560

9.5.5电荷重排与成键偶极564

9.5.6电荷重排发生延伸的根源——费米能级钉扎564

9.5.7功函数改变568

9.5.8能级排布569

9.5.9小结570

9.6 Au（111）表面吸附闭壳层分子形成自由基分子层570

9.6.1研究动机和研究体系570

9.6.2计算细节570

9.6.3吸附能571

9.6.4自旋限制计算与金属性非磁性分子层572

9.6.5自旋极化计算与磁性分子层573

9.6.6闭壳层分子层通过吸附形成自由基分子层的机理573

9.6.7氧化还原反应触发的光磁性质开关574

9.6.8小结575

9.7总结与展望575

参考文献575