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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