Nanoscale Devices - Fundamentals And Applications pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Gross, Rudolf (EDT)/ Sidorenko, Anatolie (EDT)/ Tagirov, Lenar (EDT)

出品人:

页数:399

译者:

出版时间:

价格:89.95

装帧:Pap

isbn号码:9781402051067

丛书系列:

图书标签:

• 纳米器件
• 纳米技术
• 微纳电子
• 材料科学
• 物理学
• 应用物理
• 电子工程
• 纳米材料
• 器件物理
• 半导体

纳米尺度器件：从基础理论到前沿应用 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，剖析纳米科技领域中器件设计与制造的核心原理及其在现代科技中的广泛应用。我们聚焦于那些尺度进入纳米量级的电子、光子和机械系统的基础物理机制，探讨如何通过精密的工程控制来实现器件功能的突破。 第一部分：纳米尺度物理基础 本部分将打下坚实的理论基础，使读者理解在原子和分子尺度上材料所展现出的独特物理性质，这些性质与宏观世界的行为大相径庭。 1. 电子输运的量子效应 当导体尺寸缩小到几十纳米时，经典的欧姆定律描述开始失效。本章深入探讨了电子在低维结构（如量子阱、量子线和量子点）中的行为。 能带结构重构与量子限制： 详细分析了尺寸量子化如何改变材料的电子能带结构，导致能隙的出现和电子态密度的变化。我们将用严谨的数学模型解释电子波函数的边界条件如何影响器件性能。 弹道输运与无序散射： 区分了在极短的纳米通道中发生的弹道输运（Ballistic Transport）与受缺陷、表面散射影响的非弹性输运。重点讨论了相干长度和平均自由程的概念，以及它们如何决定器件的导电效率。 隧穿效应的精确建模： 深入讲解了电子穿过势垒的量子隧穿现象。这包括单势垒、双势垒结构（如双势垒谐振隧穿器件—DBRTT）的传输概率计算，以及场致发射（Field Emission）在微纳结构中的应用。 2. 表面与界面物理学 在纳米尺度上，材料的表面积与体积之比急剧增大，使得表面和界面效应成为决定器件性能的关键因素。 表面电子态与费米能级钉扎： 阐述了材料表面悬挂键和缺陷如何产生特殊的电子态，并分析这些态如何导致费米能级在半导体与金属接触点处发生钉扎现象，这对肖特基势垒的形成至关重要。 范德华力和表面相互作用： 探讨了在原子尺度上，范德华力、静电力和偶极相互作用如何影响纳米颗粒的自组装、薄膜的生长模式以及微纳机电系统（MEMS/NEMS）中部件的粘附问题（如粘附拉力）。 3. 热力学与散热挑战 纳米器件工作时，其热管理面临前所未有的挑战，因为体积的缩小使得热流密度极高。 声子输运与热导率： 分析了热量在纳米结构中是如何通过声子传递的。讨论了界面散射和尺寸限制如何显著降低材料的有效热导率（例如，硅纳米线的）。 热梯度与电学响应： 介绍了塞贝克效应（Seebeck Effect）和珀尔帖效应（Peltier Effect）在纳米材料中的增强，为热电器件的设计提供了基础。 第二部分：关键纳米器件的原理与制造技术 本部分将介绍当前纳米电子学、光子学和传感领域中最具代表性的器件，并详细阐述支撑其实现的精密制造工艺。 4. 纳米电子器件：超越CMOS的探索 我们聚焦于那些旨在替代或增强传统CMOS晶体管的下一代器件。 碳纳米管晶体管（CNTFETs）： 详细分析了单壁和多壁碳纳米管的电子特性，包括其优异的迁移率。讨论了如何解决CNT的宏量制备、定向生长以及接触电阻过高的问题。 石墨烯器件： 探讨了零带隙的石墨烯在高速电子器件中的潜力，以及如何通过掺杂或结构工程（如边缘结构化）来引入有效带隙。特别关注了其在射频（RF）应用中的优势。 隧道场效应晶体管（TFETs）： 深入研究了TFETs如何通过带间隧穿机制实现亚阈摆幅（Subthreshold Swing）低于60 mV/decade的超低功耗开关特性，这是其区别于MOSFETs的核心优势。 5. 纳米光子学与集成 纳米结构为光与物质的强相互作用提供了平台，极大地提高了光电器件的效率和集成度。 表面等离激元（Surface Plasmons）： 解释了金属纳米结构中电子集体振荡的等离激元共振现象。讨论了如何利用其局域电磁场增强技术（LSPR）来提升传感器灵敏度和非线性光学响应。 光子晶体（Photonic Crystals）： 阐述了周期性介质结构如何形成光子带隙，从而精确控制光子的传播。重点介绍光子晶体波导和谐振腔在光通信和片上集成中的应用。 6. 纳米机电系统（NEMS）与传感器 NEMS通过将微米级的机械结构与纳米尺度的敏感元件相结合，实现了前所未有的灵敏度。 谐振器与质量传感： 详细分析了纳米梁和悬臂梁的本征频率与外部负载质量之间的关系。这构成了高灵敏度质量传感器（如DNA或病毒检测）的基础。 静电力与电容传感： 讨论了纳米级间隙中静电力（如范德华力和库仑力）的精确控制，以及如何将其转化为可测量的电容变化，应用于压力、加速度和生物传感。 第三部分：纳米器件的关键制造技术 本部分重点介绍实现上述器件所必需的超高精度加工技术。 7. 电子束光刻与聚焦离子束 高精度图案化： 详细描述了电子束光刻（EBL）的工作原理，包括电子束的聚焦、加速以及抗蚀剂的曝光与显影过程。讨论了其分辨率的物理限制和实际应用中的像差校正技术。 离子束辅助加工： 聚焦于聚焦离子束（FIB）技术在材料去除、纳米结构刻蚀和样品制备中的精确应用，包括其在缺陷修复和三维结构构建中的独特优势。 8. 原子层沉积与外延生长 ALD的精确厚度控制： 深入讲解了原子层沉积（ALD）基于自限制化学反应的机理，如何实现厚度以单原子层计的精确控制，这对于制作高介电常数（High-k）栅极氧化层和超薄缓冲层至关重要。 外延生长与异质结： 探讨了分子束外延（MBE）和化学气相沉积（CVD）在晶体生长中的应用，特别是如何精确控制不同材料在晶格失配情况下形成的异质结的界面质量。 9. 纳米组装与自下而上技术 DNA折纸术与分子自组装： 介绍利用生物分子或化学势引导的自组装过程，以克服传统光刻的分辨率限制，实现大规模、有序的纳米结构阵列的构建。 软光刻与模板技术： 分析了微接触印刷（Microcontact Printing）和纳米压印技术（Nanoimprint Lithography）在快速、低成本复制纳米图案方面的应用潜力。 本书结构清晰，逻辑严谨，旨在为致力于纳米电子、材料科学和微纳制造领域的学生、研究人员和工程师提供一本深入且实用的参考指南。

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