纳米结构与性能的理论计算与模拟
《纳米科学与技术》丛书序
第1章 量子输运
1.1 引言
1.2 电子输运理论方法简介
1.2.1 Boltzmann 方程
1.2.2 线性响应
1.2.3 散射（Landauer-B¨uttiker）公式
1.2.4 非平衡态格林函数公式
1.2.5 含时电子输运
1.3 界面电阻
1.3.1 金属的界面电阻
1.3.2 Al/Ag 界面各向异性的成因
1.3.3 Al/Ag 的界面无序散射
1.3.4 Al/Ag 界面的结构弛豫及其对输运的影响
1.3.5 其他晶格匹配的界面
1.3.6 晶格不匹配的界面
1.4 非局域自旋阀中的自旋输运
1.4.1 磁电电路理论
1.4.2 非局域自旋阀输运的理论模型
1.4.3 非局域角度磁电阻和自旋转矩
1.5 铁磁/超导界面
1.5.1 Andreev 电导的散射公式表示
1.5.2铁磁超导界面的BTK理论与自旋翻转效应
1.5.3 Andreev 电导谱计算实例
1.6 隧道结
1.6.1Fe/vac/Fe的输运
1.6.2Fe/MgO/Fe的输运与自旋转矩效应
1.7 总结
参考文献
第2章 半导体自组织量子点的微观赝势理论
2.1 量子点的结构、生长和应用
2.1.1 量子点的分类
2.1.2 自组织量子点的生长
2.1.3 单量子点的获得及其光谱
2.1.4 自组织量子点的应用
2.1.5 1982～2010 年自组织量子点研究的主要进展
2.2 半导体量子点的微观赝势理论
2.2.1 晶格弛豫的微观模型：价键模型
2.2.2 单粒子能级：经验赝势方法
2.2.3 多体问题的组态相互作用方法
2.3 量子点的单粒子能级和多粒子相图
2.3.1InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的应变
2.3.2 单粒子的能级和波函数
2.3.3 量子点的多粒子相图
2.4 InAs/GaAs和InAs/InP量子点的光学性质
2.4.1InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的激子能量和偏振性质
2.4.2 激子、双激子和带电激子的结合能
2.4.3 激子、双激子以及带电激子的寿命
2.4.4 高带电激子的发光谱
2.5 量子点中的精细结构劈裂及控制
2.5.1 量子点纠缠光源
2.5.2 精细结构劈裂和量子点的对称性
2.5.3InAs/InP和InAs/GaAs量子点中的FSS
2.5.4 精细结构劈裂、发光偏振在单轴应力下的关系
2.6 总结
参考文献
第3章 纳米光子学常用的数值计算方法
3.1 引言
3.1.1 纳米光子学简述
3.1.2 光子晶体
3.1.3 表面等离子体光子学
3.1.4 纳米光子学器件前沿
3.2 光子晶体能带计算与平面波展开方法
3.2.1 引言和理论基础
3.2.2 三维光子晶体普遍理论
3.2.3 二维光子晶体理论
3.2.4 计算实例
3.2.5 小结
3.3 时域有限差分方法
3.3.1 引言和理论基础
3.3.2 数值迭代方法
3.3.3 数值稳定性条件
3.3.4 吸收边界条件
3.3.5 激励源设置
3.3.6 计算流程
3.3.7 FDTD 方法在光子晶体上的应用
3.3.8 计算实例
3.3.9 小结
3.4 基于平面波展开的传递矩阵方法
3.4.1理论基础和T传递矩阵和S传递矩阵的推导
3.4.2 结构对称性的应用和问题的简化
3.4.3 光子晶体透射和反射光谱求解
3.4.4 光子晶体能带结构求解
3.4.5Bloch模式散射方法
3.4.6 计算实例
3.4.7传递矩阵方法和FDTD方法的比较
3.4.8 小结
3.5 特殊几何结构与解析模式方法
3.5.1 光散射的基本理论
3.5.2 圆柱形介质颗粒的散射
3.5.3 球形介质颗粒的散射理论
3.5.4 多重散射理论
3.5.5 小结
3.6 金属纳米颗粒与离散偶极子方法
3.6.1 离散偶极子近似方法的模型与理论
3.6.2与Mie理论以及实验的比较
3.6.3 金属纳米颗粒共振模式的定量分析方法
3.6.4 银纳米立方体的共振模式分析
3.6.5 小结
3.7 总结和展望
参考文献
第4章 基于石墨烯纳米带的电子器件设计
4.1 石墨烯纳米带的基本结构和性质
4.1.1 石墨烯纳米带的结构特征和制备
4.1.2 石墨烯纳米带的电子性质
4.1.3 zigzag 型石墨烯纳米带的电子输运性质
4.2 缺陷对石墨烯纳米带电子学性质的影响
4.2.1 石墨烯纳米带边缘的本征缺陷
4.2.2 石墨烯纳米带中的杂质缺陷
4.3 石墨烯纳米带边缘的化学修饰
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
4.3.2 气体分子在悬挂键上的吸附
4.4 石墨烯纳米带的褶皱
4.4.1 石墨烯纳米带的边缘稳定性
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
4.5 基于石墨烯纳米带的场效应晶体管设计
4.5.1基于石墨烯纳米带的Z字形场效应晶体管
4.5.2基于石墨烯纳米带的Z字形单极性场效应晶体管
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
4.6 总结
参考文献
第5章 纳米尺度受限水的流动特性及浸润特性
5.1 引言
5.2 外力引起的形变对纳米通道内水分子行为的影响
5.2.1 模拟系统
5.2.2 水分子数与净流量变化
5.2.3 水分子的概率密度分布
5.2.4 碳纳米管内的氢键
5.2.5 水分子取向
5.2.6 自由能的计算
5.2.7 驻波形状密度分布产生的机制
5.2.8 碳纳米管良好开关效应的理论分析
5.2.9 小结
5.3 外加电场对于纳米通道内水分子行为的影响
5.3.1 外加电场的开关效应
5.3.2 小结
5.4 外部电荷分布引起的碳纳米管中水分子的定向传输
5.4.1 模拟系统
5.4.2 小结
5.5 利用电荷操纵单壁碳纳米管内的生物分子
5.5.1 模拟系统
5.5.2 操控单壁碳纳米管内的水和短肽分子混合体
5.5.3 电荷的移动速率和距管壁的距离对操纵的影响
5.5.4 操控单壁碳纳米管内含带电残基的生物分子
5.5.5 实验可行性
5.5.6 小结
5.6 外界环境对纳米管道中水流传输行为的影响
5.7 纳米通道长度对于其内水分子行为的影响
5.8 表面有序水对表面浸润性质的影响
5.8.1 模拟系统
5.8.2 水层上的水滴
5.8.3 实验可能性
5.8.4 小结
5.9 总结
参考文献
第6章 多铁性纳米结构磁电效应的计算模拟与器件设计
6.1 引言
6.2 多铁性磁电纳米结构的连续介质理论模拟
6.2.1 正磁电效应的连续介质理论模拟
6.2.2 逆磁电效应的连续介质理论模拟
6.2.3 基于连续介质理论计算的新型磁电器件设计
6.3 多铁性磁电纳米结构的第一性原理计算
6.3.1 界面成键型磁电效应
6.3.2 界面自旋极化载流子调制的磁电效应
6.3.3 基于第一性原理计算的新型磁电器件设计
6.4 多铁性磁电纳米结构的相场模拟
6.4.1 正磁电效应的相场模拟
6.4.2 逆磁电效应的相场模拟
6.4.3 基于相场模拟的新型磁电器件设计
6.5 结语
参考文献
第7章 基于理论计算的能带调控及热电材料设计
7.1 引言
7.2 理论方法
7.2.1 密度泛函理论简介
7.2.2 玻尔兹曼电输运理论
7.2.3 能带与电输运性能若干问题的探讨
7.2.4 基于分子动力学的晶格热导计算方法
7.3Ⅰ型过渡金属替换Ba8MxGe46.x 笼合物组分及能带调控
7.4 Half-Heusler 化合物中的理论筛选
7.5 填充方钴矿能带及最佳掺杂量的研究
7.5.1 n 型填充方钴矿
7.5.2 p 型填充方钴矿
7.6 晶格热导率计算在材料中的应用
7.7 结语
参考文献
第8章 原子团簇的理论模拟
8.1 团簇简介及研究状况
8.1.1 团簇的基本性质
8.1.2 团簇理论研究的主要方向
8.2 团簇研究的理论方法
8.2.1 经验势方法
8.2.2 半经验方法
8.2.3 第一性原理方法
8.3 团簇的结构确定和电子性质
8.3.1 Si 团簇的生长模式及光电子能谱
8.3.2 Gen 团簇的电子性质与极化率
8.4 过渡金属团簇的磁性质
8.4.1 Sc 团簇随尺寸变化的磁性质
8.4.2 双金Co-Cu团簇随组分变化的磁行为
8.4.3 [Mn13@Au20].与[Co13@Au20].包裹团簇的磁行为
8.4.4 双金Co-Mn团簇中的磁非共线性行为
8.5 团簇的吸附行为
8.5.1 Sc团簇对O原子、CO分子的吸附行为
8.5.2 Vn团簇对O2、C2H4分子的吸附和共吸附行为
8.5.3 双金Co-Mn团簇对CO分子的吸附行为
8.6 结语与展望
参考文献
第9章 金属表面分子自组装的理论研究
9.1 引言
9.2 金属表面自组装单分子层的基础理论
9.2.1 金属表面电子结构及其功函数
9.2.2 从单分子到单分子层
9.2.3 金属表面自组装单分子层
9.3分子主体极化率对Au（111）面自组装层电子结构的影响
9.3.1 研究动机及研究体系
9.3.2 计算细节
9.3.3 分子主体的电子性质
9.3.4表面SAMs结构
9.3.5 Au（111） 面自组装层的电子结构
9.3.6 小结
9.4 金属与自组装层之间的成键偶极
9.4.1 研究动机及研究体系
9.4.2 计算细节
9.4.3 饱和分子方法
9.4.4 自由基方法
9.4.5 小结
9.5 Au（111） 表面吸附吡啶自组装层的电子结构
9.5.1 研究动机及研究体系
9.5.2 计算细节
9.5.3 结合能
9.5.4 孤立分子层的电子结构
9.5.5 电荷重排与成键偶极
9.5.6电荷重排发生延伸的根源——费米能级钉扎
9.5.7 功函数改变
9.5.8 能级排布
9.5.9 小结
9.6 Au（111） 表面吸附闭壳层分子形成自由基分子层
9.6.1 研究动机和研究体系
9.6.2 计算细节
9.6.3 吸附能
9.6.4 自旋限制计算与金属性非磁性分子层
9.6.5 自旋极化计算与磁性分子层
9.6.6 闭壳层分子层通过吸附形成自由基分子层的机理
9.6.7 氧化还原反应触发的光磁性质开关
9.6.8 小结
9.7 总结与展望
参考文献
第1章 量子输运
1.1 引言
1.2 电子输运理论方法简介
1.2.1 Boltzmann 方程
1.2.2 线性响应
1.2.3 散射（Landauer-B¨uttiker）公式
1.2.4 非平衡态格林函数公式
1.2.5 含时电子输运
1.3 界面电阻
1.3.1 金属的界面电阻
1.3.2 Al/Ag 界面各向异性的成因
1.3.3 Al/Ag 的界面无序散射
1.3.4 Al/Ag 界面的结构弛豫及其对输运的影响
1.3.5 其他晶格匹配的界面
1.3.6 晶格不匹配的界面
1.4 非局域自旋阀中的自旋输运
1.4.1 磁电电路理论
1.4.2 非局域自旋阀输运的理论模型
1.4.3 非局域角度磁电阻和自旋转矩
1.5 铁磁/超导界面
1.5.1 Andreev 电导的散射公式表示
1.5.2铁磁超导界面的BTK理论与自旋翻转效应
1.5.3 Andreev 电导谱计算实例
1.6 隧道结
1.6.1Fe/vac/Fe的输运
1.6.2Fe/MgO/Fe的输运与自旋转矩效应
1.7 总结
参考文献
第2章 半导体自组织量子点的微观赝势理论
2.1 量子点的结构、生长和应用
2.1.1 量子点的分类
2.1.2 自组织量子点的生长
2.1.3 单量子点的获得及其光谱
2.1.4 自组织量子点的应用
2.1.5 1982～2010 年自组织量子点研究的主要进展
2.2 半导体量子点的微观赝势理论
2.2.1 晶格弛豫的微观模型：价键模型
2.2.2 单粒子能级：经验赝势方法
2.2.3 多体问题的组态相互作用方法
2.3 量子点的单粒子能级和多粒子相图
2.3.1InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的应变
2.3.2 单粒子的能级和波函数
2.3.3 量子点的多粒子相图
2.4 InAs/GaAs和InAs/InP量子点的光学性质
2.4.1InAs/GaAs和InAs/InP量子点中的激子能量和偏振性质
2.4.2 激子、双激子和带电激子的结合能
2.4.3 激子、双激子以及带电激子的寿命
2.4.4 高带电激子的发光谱
2.5 量子点中的精细结构劈裂及控制
2.5.1 量子点纠缠光源
2.5.2 精细结构劈裂和量子点的对称性
2.5.3InAs/InP和InAs/GaAs量子点中的FSS
2.5.4 精细结构劈裂、发光偏振在单轴应力下的关系
2.6 总结
参考文献
第3章 纳米光子学常用的数值计算方法
3.1 引言
3.1.1 纳米光子学简述
3.1.2 光子晶体
3.1.3 表面等离子体光子学
3.1.4 纳米光子学器件前沿
3.2 光子晶体能带计算与平面波展开方法
3.2.1 引言和理论基础
3.2.2 三维光子晶体普遍理论
3.2.3 二维光子晶体理论
3.2.4 计算实例
3.2.5 小结
3.3 时域有限差分方法
3.3.1 引言和理论基础
3.3.2 数值迭代方法
3.3.3 数值稳定性条件
3.3.4 吸收边界条件
3.3.5 激励源设置
3.3.6 计算流程
3.3.7 FDTD 方法在光子晶体上的应用
3.3.8 计算实例
3.3.9 小结
3.4 基于平面波展开的传递矩阵方法
3.4.1理论基础和T传递矩阵和S传递矩阵的推导
3.4.2 结构对称性的应用和问题的简化
3.4.3 光子晶体透射和反射光谱求解
3.4.4 光子晶体能带结构求解
3.4.5Bloch模式散射方法
3.4.6 计算实例
3.4.7传递矩阵方法和FDTD方法的比较
3.4.8 小结
3.5 特殊几何结构与解析模式方法
3.5.1 光散射的基本理论
3.5.2 圆柱形介质颗粒的散射
3.5.3 球形介质颗粒的散射理论
3.5.4 多重散射理论
3.5.5 小结
3.6 金属纳米颗粒与离散偶极子方法
3.6.1 离散偶极子近似方法的模型与理论
3.6.2与Mie理论以及实验的比较
3.6.3 金属纳米颗粒共振模式的定量分析方法
3.6.4 银纳米立方体的共振模式分析
3.6.5 小结
3.7 总结和展望
参考文献
第4章 基于石墨烯纳米带的电子器件设计
4.1 石墨烯纳米带的基本结构和性质
4.1.1 石墨烯纳米带的结构特征和制备
4.1.2 石墨烯纳米带的电子性质
4.1.3 zigzag 型石墨烯纳米带的电子输运性质
4.2 缺陷对石墨烯纳米带电子学性质的影响
4.2.1 石墨烯纳米带边缘的本征缺陷
4.2.2 石墨烯纳米带中的杂质缺陷
4.3 石墨烯纳米带边缘的化学修饰
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
4.3.2 气体分子在悬挂键上的吸附
4.4 石墨烯纳米带的褶皱
4.4.1 石墨烯纳米带的边缘稳定性
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
4.5 基于石墨烯纳米带的场效应晶体管设计
4.5.1基于石墨烯纳米带的Z字形场效应晶体管
4.5.2基于石墨烯纳米带的Z字形单极性场效应晶体管
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
4.6 总结
参考文献
第5章 纳米尺度受限水的流动特性及浸润特性
5.1 引言
5.2 外力引起的形变对纳米通道内水分子行为的影响
5.2.1 模拟系统
5.2.2 水分子数与净流量变化
5.2.3 水分子的概率密度分布
5.2.4 碳纳米管内的氢键
5.2.5 水分子取向
5.2.6 自由能的计算
5.2.7 驻波形状密度分布产生的机制
5.2.8 碳纳米管良好开关效应的理论分析
5.2.9 小结
5.3 外加电场对于纳米通道内水分子行为的影响
5.3.1 外加电场的开关效应
5.3.2 小结
5.4 外部电荷分布引起的碳纳米管中水分子的定向传输
5.4.1 模拟系统
5.4.2 小结
5.5 利用电荷操纵单壁碳纳米管内的生物分子
5.5.1 模拟系统
5.5.2 操控单壁碳纳米管内的水和短肽分子混合体
5.5.3 电荷的移动速率和距管壁的距离对操纵的影响
5.5.4 操控单壁碳纳米管内含带电残基的生物分子
5.5.5 实验可行性
5.5.6 小结
5.6 外界环境对纳米管道中水流传输行为的影响
5.7 纳米通道长度对于其内水分子行为的影响
5.8 表面有序水对表面浸润性质的影响
5.8.1 模拟系统
5.8.2 水层上的水滴
5.8.3 实验可能性
5.8.4 小结
5.9 总结
参考文献
第6章 多铁性纳米结构磁电效应的计算模拟与器件设计
6.1 引言
6.2 多铁性磁电纳米结构的连续介质理论模拟
6.2.1 正磁电效应的连续介质理论模拟
6.2.2 逆磁电效应的连续介质理论模拟
6.2.3 基于连续介质理论计算的新型磁电器件设计
6.3 多铁性磁电纳米结构的第一性原理计算
6.3.1 界面成键型磁电效应
6.3.2 界面自旋极化载流子调制的磁电效应
6.3.3 基于第一性原理计算的新型磁电器件设计
6.4 多铁性磁电纳米结构的相场模拟
6.4.1 正磁电效应的相场模拟
6.4.2 逆磁电效应的相场模拟
6.4.3 基于相场模拟的新型磁电器件设计
6.5 结语
参考文献
第7章 基于理论计算的能带调控及热电材料设计
7.1 引言
7.2 理论方法
7.2.1 密度泛函理论简介
7.2.2 玻尔兹曼电输运理论
7.2.3 能带与电输运性能若干问题的探讨
7.2.4 基于分子动力学的晶格热导计算方法
7.3Ⅰ型过渡金属替换Ba8MxGe46.x 笼合物组分及能带调控
7.4 Half-Heusler 化合物中的理论筛选
7.5 填充方钴矿能带及最佳掺杂量的研究
7.5.1 n 型填充方钴矿
7.5.2 p 型填充方钴矿
7.6 晶格热导率计算在材料中的应用
7.7 结语
参考文献
第8章 原子团簇的理论模拟
8.1 团簇简介及研究状况
8.1.1 团簇的基本性质
8.1.2 团簇理论研究的主要方向
8.2 团簇研究的理论方法
8.2.1 经验势方法
8.2.2 半经验方法
8.2.3 第一性原理方法
8.3 团簇的结构确定和电子性质
8.3.1 Si 团簇的生长模式及光电子能谱
8.3.2 Gen 团簇的电子性质与极化率
8.4 过渡金属团簇的磁性质
8.4.1 Sc 团簇随尺寸变化的磁性质
8.4.2 双金Co-Cu团簇随组分变化的磁行为
8.4.3 [Mn13@Au20].与[Co13@Au20].包裹团簇的磁行为
8.4.4 双金Co-Mn团簇中的磁非共线性行为
8.5 团簇的吸附行为
8.5.1 Sc团簇对O原子、CO分子的吸附行为
8.5.2 Vn团簇对O2、C2H4分子的吸附和共吸附行为
8.5.3 双金Co-Mn团簇对CO分子的吸附行为
8.6 结语与展望
参考文献
第9章 金属表面分子自组装的理论研究
9.1 引言
9.2 金属表面自组装单分子层的基础理论
9.2.1 金属表面电子结构及其功函数
9.2.2 从单分子到单分子层
9.2.3 金属表面自组装单分子层
9.3分子主体极化率对Au（111）面自组装层电子结构的影响
9.3.1 研究动机及研究体系
9.3.2 计算细节
9.3.3 分子主体的电子性质
9.3.4表面SAMs结构
9.3.5 Au（111） 面自组装层的电子结构
9.3.6 小结
9.4 金属与自组装层之间的成键偶极
9.4.1 研究动机及研究体系
9.4.2 计算细节
9.4.3 饱和分子方法
9.4.4 自由基方法
9.4.5 小结
9.5 Au（111） 表面吸附吡啶自组装层的电子结构
9.5.1 研究动机及研究体系
9.5.2 计算细节
9.5.3 结合能
9.5.4 孤立分子层的电子结构
9.5.5 电荷重排与成键偶极
9.5.6电荷重排发生延伸的根源——费米能级钉扎
9.5.7 功函数改变
9.5.8 能级排布
9.5.9 小结
9.6 Au（111） 表面吸附闭壳层分子形成自由基分子层
9.6.1 研究动机和研究体系
9.6.2 计算细节
9.6.3 吸附能
9.6.4 自旋限制计算与金属性非磁性分子层
9.6.5 自旋极化计算与磁性分子层
9.6.6 闭壳层分子层通过吸附形成自由基分子层的机理
9.6.7 氧化还原反应触发的光磁性质开关
9.6.8 小结
9.7 总结与展望
参考文献
帅志刚，1983年毕业于中山大学物理系，1989年获复旦大学理论物理专业博士学位，之后在比利时蒙斯大学从事研究工作。2002年，获中国科学院“百人计划”支持，任中国科学院化学研究所研究员。长期从事有机/高分子和碳基材料的光电功能理论研究，包括有机发光过程、电荷传输机理、光伏转换效率和电子关联与激发态电子结构等理论。共发表论文260余篇，英文专著1部。2004年获国家杰出青年科学基金资助，并获“百人计划”结题优秀成绩。2008年至今为清华大学化学系“长江学者”特聘教授。2006年入选“新世纪百千万人才工程” 国家级人选，2008年当选为国际量子分子科学院院士，2009年当选为英国皇家化学会会士，2011年当选为欧洲人文与自然科学院(Academia Europaea)外籍院士，2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖。社会兼职包括：中国化学会常务理事、副秘书长；《化学学报》副主编，Theor. Chem. Acc.、Nanoscale、《中国科学：化学》、《物理化学学报》等期刊编委；北京大学、南京大学等校兼职教授。
《纳米结构与性能的理论计算与模拟》纳米科学与技术的核心在于受限尺度所带来光、电、磁、力学、生物等新效应，体现在电子在纳米尺度上的电荷与自旋的量子输运、光子纳米介质中的散射折射或透射、受限在纳米尺度的流体的新结构与输运等方面。纳米体系覆盖金属、半导体和绝缘体，从无机到有机，包括团簇、低维碳材料（零维的富勒烯、一维的纳米管、二维的石墨烯等）、量子点与量子线，以及自组装结构，还包括在纳米尺度上控制性能的光电、磁电、热电等体相材料。《纳米结构与性能的理论计算与模拟》从基本原理到理论计算模拟，对以上内容作了较系统的阐述。
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