随着以量子力学为核心的当代物理学的发展，人们对客观世界的认识不断深入，这极大地推动了科学技术的发展。近年来，基于实验技术的提高，人们已经可以构筑并直接测量一些新型的纳米体系。在实际应用中，纳米器件将产生相当多热量，如何将这些热量传导出去已成为纳米电子学中的重要课题。对于半导体材料，声子是热能传输的主要载体。声子是晶格振动产生的准粒子，其在低维体系中的输运行为与宏观体系有着很大的区别，表现出很多新奇的物理现象。本书针对这一热点问题，以热传导为主线，系统介绍一维、二维纳米材料的热传导性质，并详细阐述常用的理论、计算及实验研究方法。本书涵盖的内容包括：一维材料热传导、二维材料热传导、分子动力学、非平衡格林函数、玻尔兹曼输运方程、散射矩阵等常用的理论研究方法，以及相关的实验研究方法。此外，还介绍了新型声子器件的理论与应用。
样章试读
目录
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序
前言
第1章 晶格振动与热传导的基本理论1
1.1晶格振动的经典理论1
1.1.1一维单原子链2
1.1.2一维双原子链5
1.2晶格振动的量子理论8
1.2.1声子的概念8
1.2.2晶格比热9
1.3热导率11
1.3.1声子热导和傅里叶定律11
1.3.2电子热导14
1.3.3热电势15
1.4一维简谐格点模型15
1.5一维非简谐格点模型18
参考文献21
第2章 二维材料的基本物理性质.23
2.1石墨烯的基本物理23
2.2过渡金属二硫族化合物29
2.3黑磷34
2.4其他二维材料37
2.4.1硅烯37
2.4.2锗烯39
2.4.3锡烯41
2.4.4二维氮化硼以及硼氮碳杂化材料41
2.4.5二维硒化镓42
参考文献43
第3章 一维材料热传导46
3.1纳米管48
3.1.1碳纳米管的高热导率和尺寸效应48
3.1.2碳纳米管中的反常热扩散51
3.1.3影响碳纳米管热导率的因素55
3.1.4纳米管与热整流56
3.2纳米线59
3.2.1几何效应对热输运的影响60
3.2.2纳米线中的散射机制64
3.2.3同轴纳米线中的共振效应70
3.3一维高分子聚合物72
3.4本章 小结76
参考文献76
第4章 二维材料热传导特性81
4.1石墨烯81
4.1.1石墨烯的热导率82
4.1.2影响石墨烯热导率的因素85
4.1.3应用96
4.2二硫化钼的热性质99
4.2.1二硫化钼声子谱100
4.2.2单层二硫化钼的热导率102
4.2.3模式贡献及与石墨烯的比较104
4.3磷烯的晶格热导105
4.3.1磷烯的声子性质105
4.3.2磷烯的各向异性热导率107
4.3.3势函数108
4.4其他二维材料109
4.4.1氮化硼热导率109
4.4.2硅烯材料热性质109
参考文献111
第5章 声子非平衡格林函数方法115
5.1量子热输运115
5.1.1热输运：从经典到量子115
5.1.2量子热导116
5.2声子非平衡格林函数方法120
5.2.1声子哈密顿量与简谐近似120
5.2.2声子热流121
5.2.3局域声子热流128
5.2.4表面格林函数128
5.2.5声子态密度129
5.2.6声学求和规则与声学支130
5.2.7声子与电子格林函数方法的对比134
5.3声子NEGF方法的应用134
5.3.1一维原子链135
5.3.2NEGF数值计算140
5.3.3实际体系的NEGF计算141
5.4本章 小结145
附录145
A.1Dyson方程145
A.2小于自能函数146
A.3式(5.2.52)积分核的对称性147
参考文献148
第6章 分子动力学方法151
6.1分子动力学简介151
6.2基本原理与模拟流程152
6.2.1基本概念152
6.2.2分子动力学模拟流程155
6.2.3势函数156
6.2.4数值积分算法159
6.2.5量子修正160
6.3热导率计算方法162
6.3.1非平衡态模拟162
6.3.2平衡态模拟168
6.4声子相关性质计算176
6.4.1声子态密度176
6.4.2声子色散关系177
6.4.3声子参与率180
6.4.4声子群速度181
6.4.5声子弛豫时间182
参考文献185
第7章 玻尔兹曼方程输运计算189
7.1晶格振动的基本属性190
7.1.1声子散射190
7.1.2第一性原理计算191
7.2声子玻尔兹曼输运方程192
7.2.1线性化声子玻尔兹曼方程192
7.2.2迭代求解声子玻尔兹曼方程193
7.2.3Callaway模型194
7.3数值计算中的问题和处理196
7.3.1独立三阶力常数196
7.3.2三阶力常数求和规则197
7.3.3±函数的处理198
7.4示例199
7.4.1GaN199
7.4.2复杂材料skutterudites200
7.4.3二维MoS2202
7.4.4合金203
7.4.5纳米线204
7.5存在的挑战和展望206
参考文献206
第8章 散射矩阵方法在声子热传导方面的应用211
8.1低维量子结构中声子热输运211
8.2理论与计算方法213
8.2.1弹性波理论213
8.2.2散射矩阵方法219
8.2.3朗道热输运理论234
8.3低维量子结构中低温弹性热输运性质研究236
8.3.1二维量子结构中弹性热输运性质研究236
8.3.2三维量子结构中弹性热输运性质研究240
8.3.3六支低阶振动模的热输运性质研究242
8.3.4含缺陷量子结构中低温热输运性质的对比研究243
8.4总结245
参考文献245
第9章 声子热传导的模型研究251
9.1Klemens热传导模型251
9.2Callaway模型.255
9.3石墨烯条带热导率259
9.4空位缺陷效应264
参考文献267
第10章 非平衡声子输运的数学模型268
10.1玻尔兹曼输运方程的推导及数学结果268
10.2傅里叶定律274
10.3热导率：傅里叶定律和非傅里叶定律277
10.3.1扩散尺度277
10.3.2双曲尺度279
10.3.3中间尺度281
参考文献283
第11章 低维材料热传导测量技术及实验进展285
11.1悬空微桥法285
11.1.1悬空微桥法背景285
11.1.2悬空微桥法测量原理285
11.1.3悬空器件加工过程287
11.1.4悬空微桥法测量极限及误差分析288
11.1.5悬空微桥法发展现状291
11.1.6电子束自加热法294
11.2拉曼测量法296
11.2.1拉曼测量二维材料热导率296
11.2.2拉曼法测量一维材料热导率298
11.2.3误差分析299
11.2.4双激光拉曼法300
11.33*法301
11.3.13*法用于块体材料测量302
11.3.23*法用于薄膜材料测量304
11.3.33*法用于一维材料测量305
11.3.4测量电路307
11.4时域热反射法308
11.4.1时域热反射法实验装置308
11.4.2TDTR测量原理310
11.4.3TDTR温度模型311
11.5热扫描探针法312
11.5.1SThM基本原理312
11.5.2SThM探针类型313
11.5.3SThM测量模式314
11.5.4SThM热传递通道分析315
11.5.5SThM的应用316
11.6有限元模拟法317
11.6.1物理模型317
11.6.2器件制备318
11.6.3模拟求解318
11.6.4误差分析320
11.7其他测量方法322
11.7.1四电极自加热法322
11.7.2“T”型短线法322
11.8实验进展323
11.8.1热导率尺度效应323
11.8.2热导率同位素效应325
11.8.3声子学元器件326
11.8.4热导率与声子平均自由程328
11.8.5近场辐射330
参考文献332
第12章 量子主方程方法338
12.1开放量子体系与热输运338
12.1.1开放量子体系338
12.1.2约化密度矩阵339
12.2量子主方程方法339
12.2.1Red-eld量子主方程的推导339
12.2.2量子主方程的求解342
12.2.3热输运的计算343
12.3量子主方程的应用345
12.3.1声子热传导345
12.3.2电子热传导349
12.4量子主方程方法的总结352
参考文献353
第13章 新型热功能器件354
13.1热二极管354
13.2热三极管和逻辑门357
13.3声子计算机360
13.4热屏蔽技术362
参考文献367
索引369
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