Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Wiley-VCH

作者:Thomas Heinzel

出品人:

页数:395

译者:

出版时间:2007-03-30

价格:USD 120.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783527406388

丛书系列:

图书标签:

物理
Mesoscopic Electronics
Solid State Nanostructures
Nanotechnology
Quantum Transport
Electron Transport
Low-Dimensional Systems
Condensed Matter Physics
Nanoscale Devices
Physics
Materials Science

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具体描述

凝聚态物理与量子器件的前沿探索本书深入探讨了在宏观尺度与微观量子世界之间的“介观”领域中，半导体纳米结构所展现出的新颖物理现象及其在先进电子器件中的应用。聚焦于材料科学、固体物理学和纳米技术交叉的前沿地带，本书旨在为研究人员、工程师以及高年级学生提供一个全面且深入的理论框架和实验视角。第一部分：介观物理学基础与量子输运理论本书首先建立理解介观电子学所需的理论基础。我们从经典的固体电子理论（如能带理论、有效质量近似）出发，迅速过渡到描述纳米尺度效应的关键概念。 1. 1 维度与量子限制效应 (Dimensional Confinement): 详细分析了从体材料到二维（如量子阱）、一维（如量子线）乃至零维（如量子点）结构转变过程中，电子能谱如何被量子化。讨论了激子（Exciton）行为在纳米结构中的增强效应及其对光电器件性能的影响。 1.2 电子波函数的相干性与退相干 (Coherence and Decoherence): 这是理解介观器件工作原理的核心。本书深入探讨了电子在纳米结构中运动时的波粒二象性。我们详细分析了电子的相干传输时间、平均自由程以及各种散射机制（如晶格振动、杂质散射、电子-电子相互作用）如何导致量子相位的丢失（退相干）。 1.3 弹道输运与韦勒-布洛赫理论 (Ballistic Transport and the Landauer-Büttiker Formalism): 在极短或极低温的介观尺度下，电子传输接近无散射的理想状态。本书详尽阐述了朗道尔-布特尼科夫公式及其在描述电导量化现象中的应用。特别是，我们探讨了如何利用电子波导（Electron Waveguides）的概念来精确控制电子的传输通道。 1.4 磁场中的量子输运：朗之万效应与量子霍尔效应的介观视角 (Quantum Transport in Magnetic Fields): 引入磁场对电子运动轨迹的显著影响。讨论了磁场如何改变电子的能级结构，并详细分析了Aharonov-Bohm 效应在双环结构中的体现，这是证明电子波函数相干性的关键实验证据。同时，本书也提供了对整数和分数量子霍尔效应的介观解释，侧重于边缘态（Edge States）的物理图像。 --- 第二部分：关键纳米结构：从量子点到拓扑材料本书的第二部分将理论应用于具体的、具有代表性的半导体纳米结构，探讨其独特的物理性质和潜在的器件应用。 2.1 硅基量子点与低能耗器件 (Silicon Quantum Dots and Low-Energy Devices): 深入分析了硅基量子点（Si QDs）的制备技术（如分子束外延、离子注入）及其在自旋电子学中的潜力。重点探讨了单电子晶体管 (SET) 的操作原理，包括库仑阻塞（Coulomb Blockade）现象的精确建模，以及如何利用量子点实现超高密度存储和低功耗逻辑。 2.2 碳纳米管与石墨烯：二维与准一维系统 (Carbon Nanotubes and Graphene: 2D and Quasi-1D Systems): 碳基材料因其极高的载流子迁移率和独特的狄拉克锥能带结构而受到广泛关注。本书详细分析了手性对碳纳米管电学特性的决定性影响。对于石墨烯，我们聚焦于其零带隙特性、超高频率响应以及如何通过微结构设计（如纳米条带化）来诱导出可调的电子能带结构。 2.3 半导体异质结与二维电子气 (Semiconductor Heterostructures and 2D Electron Gas - 2DEG): 异质结是现代微电子器件的基石。本书重点研究了如 $ ext{AlGaAs}/ ext{GaAs}$ 和 $ ext{GaN}/ ext{AlGaN}$ 等结构中形成的二维电子气（2DEG）。深入讨论了斯塔克效应（Stark Effect）和波函数局域化在势垒结构中的作用，并分析了高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的工作原理和性能瓶颈。 2.4 介观系统中的非局部效应与量子关联 (Non-Local Effects and Quantum Correlations): 探讨了电子在复杂耦合的介观网络中表现出的非经典行为。讨论了量子点阵列中的耦合振荡现象，以及在极低温下，如何利用电导涨落（Shot Noise）来探测和量化多通道传输中的电子关联性。 --- 第三部分：介观器件的应用与未来展望本书的最后一部分将理论和材料科学的成果转化为实际的电子器件设计和前沿技术。 3.1 隧道结与自旋极化输运 (Tunnel Junctions and Spin-Polarized Transport): 详细阐述了磁隧道结 (MTJ) 的结构、隧穿机制（如法勒效应）及其在巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR）中的核心作用。着重分析了自旋转移矩 (STT) 写入机制，这是新一代磁随机存取存储器（MRAM）的关键技术。 3.2 介观量子传感器与生物电子学接口 (Mesoscopic Quantum Sensors and Bio-Electronic Interfaces): 探讨了利用量子点和纳米线的高灵敏度来开发新型传感器。这包括对单分子检测、高分辨率热成像以及电化学场效应晶体管 (Electrochemical FET) 在生物传感方面的应用。讨论了如何通过表面工程来优化这些器件与生物体系的兼容性。 3.3 拓扑电子学与无耗散输运的潜力 (Topological Electronics and Dissipationless Transport): 介绍了凝聚态物理中新兴的拓扑绝缘体（TIs）和拓扑半金属的概念。重点分析了这些材料中受拓扑保护的表面/边缘态的独特电子性质，这些态具有强烈的自旋-动量锁定，预示着可能实现极低能耗的未来信息处理技术。 3.4 制造挑战与集成化：从实验室到工业 (Fabrication Challenges and Integration): 总结了当前介观器件制造面临的主要技术障碍，如精密光刻、原子层沉积 (ALD) 的精度控制，以及如何将低温、真空环境下工作的量子器件稳定地集成到室温CMOS兼容的工艺流程中。通过对这些主题的系统性梳理，本书不仅提供了深入的理论工具，更描绘了介观电子学作为未来信息技术和传感技术核心驱动力的广阔前景。