纳米物理和纳米技术

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作者: [美] 沃尔夫著 , 薛冬峰译

出版社: 机械工业出版社

出版时间: 2010-04

版次: 1

ISBN: 9787111295051

定价: 51.00

装帧: 平装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 263页

字数: 337千字

正文语种: 简体中文

丛书: 国际机械工程先进技术译丛

分类: 工程技术

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　　《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）》研究在纳米和亚纳米尺度下的物理现象，特别侧重于对所有潜在应用技术中的最小尺度的重要性的研究。《纳米物理和纳米技术》从磁学和量子学的角度，围绕“纳米电子学”做了说明，对现有的成功硅技术则叙述了涉及量子计算的可能性；介绍了关于碳纳米管的电子学新应用；在超导性方面，通过具体实例的介绍帮助理解以低功耗和高效率著称的“快速单通量量子”计算机逻辑设备。《纳米物理和纳米技术》提供了一些新领域必需的基本概念，也包括了纳米科技的一些最新进展。序言
第1版序言
译丛序言
译者序
第1章绪论1
1.1纳米，微米，毫米2
1.2摩尔(Moore)定律6
1.3Esaki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100Gb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=hν46
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
5.3.2Casimir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
5.7.2PN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=［2εεOVB/eNd］1/2106
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126C1s22p4（0.07nm）117
6.2甲烷CH4，乙烷C2H6，辛烷C8H18117
6.3乙烯C2H4，苯C6H6，乙炔C2H2118
6.4C60巴基球（~0.5nm）119
6.5C∞纳米管（~0.5nm）119
6.6InAs量子点（~5nm）122
6.7AgBr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65nm132
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
8.1Stern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
8.5GMR（巨磁阻）的起源：依靠自旋的电子散射160
8.6GMR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
8.12Josephson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
9.5.3SET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
9.7GaAs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：CMOL215
参考文献216

第10章展望未来218
10.1Drexler的机械（分子）轴和轴承218
10.1.1Smalley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
内容简介:
　　《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）》研究在纳米和亚纳米尺度下的物理现象，特别侧重于对所有潜在应用技术中的最小尺度的重要性的研究。《纳米物理和纳米技术》从磁学和量子学的角度，围绕“纳米电子学”做了说明，对现有的成功硅技术则叙述了涉及量子计算的可能性；介绍了关于碳纳米管的电子学新应用；在超导性方面，通过具体实例的介绍帮助理解以低功耗和高效率著称的“快速单通量量子”计算机逻辑设备。《纳米物理和纳米技术》提供了一些新领域必需的基本概念，也包括了纳米科技的一些最新进展。
目录:
序言
第1版序言
译丛序言
译者序
第1章绪论1
1.1纳米，微米，毫米2
1.2摩尔(Moore)定律6
1.3Esaki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100Gb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=hν46
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
5.3.2Casimir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
5.7.2PN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=［2εεOVB/eNd］1/2106
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126C1s22p4（0.07nm）117
6.2甲烷CH4，乙烷C2H6，辛烷C8H18117
6.3乙烯C2H4，苯C6H6，乙炔C2H2118
6.4C60巴基球（~0.5nm）119
6.5C∞纳米管（~0.5nm）119
6.6InAs量子点（~5nm）122
6.7AgBr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65nm132
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
8.1Stern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
8.5GMR（巨磁阻）的起源：依靠自旋的电子散射160
8.6GMR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
8.12Josephson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
9.5.3SET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
9.7GaAs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：CMOL215
参考文献216

第10章展望未来218
10.1Drexler的机械（分子）轴和轴承218
10.1.1Smalley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
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习题230
简写术语表238
一些有用的常数242
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