单电子学 蒋建飞著 9787030198822 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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蒋建飞著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29373418114

包装：平装

出版时间：2007-09-01

基本信息

书名：单电子学

定价：80.00元

作者：蒋建飞著

出版社：科学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

字数：

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版次：1

装帧：平装

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商品重量：0.763kg

编辑推荐

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内容提要

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单电子学是纳电子学重要的分支之一，它是有可能部分替代发展至时的纳米MOS电子学的重要候选者之一。
本书系统地论述了以半经典理论为基础的单电子器件物理，包括网络分析理论、正统理论和超正统理论；传统概念下单电子电路的原理以及非传统概念单电子电路的研究；单电子系统的模拟方法，包括单电子器件和电路蒙特卡罗模拟法，单电子器件和电路主方程模拟法，单电子器件和电路与集成电路通用模拟程序(SPICE)兼容模拟法。本书是一部有明确的学术观点、理论体系及很强应用背景的学术著作。
本书可以作为纳米科学技术和相关学科的科学家、工程师、教师的参考书，也可供电子科学技术一级学科和交叉学科(计算机学、物理学、化学、生物学、材料学等)从事纳米科学技术学习和研究的高年级本科生、硕士研究生、博士研究生参考阅读。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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量子世界的微观操控：单电子器件的原理与应用 在信息技术日新月异的今天，我们正面临着摩尔定律的物理极限。传统硅基半导体器件的微缩化已趋于瓶颈，如何突破这一瓶颈，实现更小巧、更高速、更低功耗的电子设备，成为了科学界和工程界不懈的追求。在这场深刻的变革中，一个极具潜力的前沿领域——单电子学，正以前所未有的姿态展现在我们面前。 单电子学，顾名思义，是指研究和利用单个电子的量子特性的科学。与我们日常接触的宏观电流由海量电子的集体运动组成不同，单电子学将目光聚焦于微观世界中每一个孤立的电子。通过精确地控制单个电子的注入、传输和探测，科学家们致力于构建一系列全新的电子器件，这些器件有望在信息存储、量子计算、高灵敏度传感器等领域带来颠覆性的突破。 量子隧穿效应：单电子器件的基石 要理解单电子器件的工作原理，首先需要掌握一个核心的量子力学概念——量子隧穿效应。在经典的物理世界里，一个粒子如果能量不足以越过一个势垒，它就无法穿过。然而，在微观的量子世界中，电子表现出波粒二象性，它并非一个确定轨迹的点粒子，而是一个概率波。这意味着，即使电子的能量不足以“翻越”一个势垒，它也有一定的概率“隧穿”过去，出现在势垒的另一侧。 这种看似不可思议的现象，是实现单电子器件的关键。通过设计精巧的纳米结构，科学家们可以制造出“量子点”或“库仑阻塞岛”等微小空间。当电子被引导至这些区域时，其运动会受到严格的限制。而“隧穿结”则扮演着控制电子注入和传输的“门”。通过巧妙地调控隧穿结的势垒高度和宽度，我们可以精确地控制单个电子的隧穿过程，从而实现对电子流动的精细调控。 库仑阻塞效应：量化电子流动的关键 在极小的尺寸下，单个电子所携带的电荷虽然微乎其微，但在一个微小空间内，这种电荷的积累效应便会变得显著。这就是库仑阻塞效应。当一个电子进入一个非常小的导体（例如一个量子点）时，它会产生一个微小的电场，这个电场会排斥其他电子进入该导体。换句话说，为了让第二个电子隧穿进入已经包含一个电子的量子点，需要额外的能量来克服第一个电子产生的排斥力。 正是利用了这一效应，科学家们可以设计出能够精确地一次只允许一个电子通过的器件。通过改变偏置电压或者量子点内部的电势，可以控制库仑阻塞效应的强弱，从而精细地调控电子的注入和传输。这种对电子数量的精准控制，是单电子学区别于传统电子学的根本所在。 核心器件：单电子晶体管 在众多的单电子器件中，单电子晶体管（Single-Electron Transistor, SET）无疑是最具代表性的一种。它通常由三个主要部分组成：源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。源极和漏极通过隧穿结与一个微小的导电区域（通常是量子点或库仑阻塞岛）相连。栅极则通过另一个隧穿结与该导电区域耦合。 SET的工作原理可以形象地理解为：源极是电子的“供给端”，漏极是电子的“接收端”，而栅极则扮演着“控制阀”的角色。当源漏之间的偏置电压足够大时，电子会尝试从源极隧穿到导电区域，然后再隧穿到漏极。然而，如果导电区域已经存在一个电子，那么第二个电子的隧穿就会受到库仑阻塞效应的阻碍，需要额外的能量才能进入。 通过改变栅极电压，我们可以有效地调控导电区域的电势。当栅极电压改变时，导电区域的电势会发生变化，从而改变了第二个电子隧穿所需的能量。因此，通过精细地调节栅极电压，我们可以精确地控制电子的注入和传输，甚至实现只允许单个电子依次通过。这种极高的灵敏度和精确的控制能力，使得SET在许多应用中展现出独特的优势。 单电子学的前沿探索与未来展望 单电子学并非一个停滞不前的领域，而是充满了活跃的探索与无限的可能。科学家们正不断突破材料、制备工艺和理论理解的极限，朝着更稳定、更易于集成、性能更优越的单电子器件迈进。 新型量子材料与制备技术： 如何在更易于工业化生产的材料中实现高质量的量子点和隧穿结，是当前研究的热点。例如，利用半导体量子点、金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等材料，以及发展原子层沉积（ALD）、电子束光刻等高精度制造技术，为单电子器件的实用化奠定了基础。 多功能单电子器件的设计： 除了基本的单电子晶体管，研究人员还在探索更多样化的单电子器件，例如单电子存储器（利用量子点的电荷状态存储信息）、单电子振荡器（通过周期性地注入和输运电子产生高频信号）、以及用于精密测量的单电子探测器等。 与量子计算的融合： 单电子学在量子计算领域具有巨大的潜力。单个电子的量子态（如自旋）可以被用作量子比特（qubit），而对这些量子比特的精确控制和读出，恰恰是单电子器件所擅长的。构建基于单电子的量子计算架构，有望实现通用量子计算机的突破。 高灵敏度传感器的开发： 由于单电子器件对单个电子电荷的敏感性极高，它们可以被用于开发前所未有的高灵敏度传感器。例如，用于探测微弱电磁信号、极少量化学物质，甚至单个生物分子的传感器。 低功耗信息处理的可能： 传统的CMOS技术随着器件尺寸的缩小，功耗问题日益突出。单电子器件以其“事件驱动”的特性，只在电子发生隧穿时才消耗能量，理论上可以实现极低的功耗，为实现超低功耗的信息处理系统提供了新的途径。 面临的挑战与未来的方向 尽管单电子学前景广阔，但要实现其大规模应用，仍需克服诸多挑战。 工作温度的限制： 许多单电子效应在低温下才能清晰显现，实现室温下的稳定工作是关键的突破方向。 器件的稳定性与可靠性： 纳米尺度的器件容易受到环境噪声和材料缺陷的影响，提高器件的稳定性和可靠性至关重要。 集成与互联： 如何将大量的单电子器件集成在一起，并与现有的半导体技术进行互联，是实现复杂功能系统的难点。 理论模型的精确性： 随着器件尺寸的不断缩小，量子效应的复杂性也日益增加，需要更精确的理论模型来指导器件的设计和优化。 尽管挑战重重，但单电子学作为量子信息科学的一个重要分支，正以前所未有的速度发展。随着基础研究的深入和工程技术的进步，我们有理由相信，单电子器件将不再仅仅是实验室里的新奇事物，而是将在未来的信息技术、科学探测乃至医疗健康等领域扮演越来越重要的角色，引领我们进入一个真正由单个电子所驱动的微观操控时代。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，在阅读这本书的过程中，我不得不经常停下来，重新查阅一些高等数学和电动力学的知识点，但奇怪的是，我对此毫不抱怨。这恰恰证明了这本书的“挑战性”是恰到好处的——它推着你前进，而不是把你直接推到悬崖边。它的专业性毋庸置疑，对于那些需要用这本书作为核心教材的研究生来说，这无疑是幸运的。它培养的不仅仅是计算能力，更是物理直觉。作者对于“为什么”的追问，远胜于对“是什么”的简单罗列。这种对物理学本质的深刻洞察，是任何一本流于表面的参考书都无法比拟的，它让你真正开始“思考物理”，而不是仅仅“学习物理公式”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度是令人印象深刻的。它似乎没有放过任何一个与主题相关的关键概念，从基础的量子力学公设到复杂的电子-电子相互作用模型，都有所涉猎，但最难能可贵的是，它在保持深度之余，还能保持一种令人惊讶的平衡感。当涉及到前沿研究方向时，作者的表述既严谨又不失前瞻性，让人能清晰地看到该领域未来的发展脉络。我常常合上书本，盯着天花板思考半晌，回味那些被巧妙嵌入在脚注中的“彩蛋”信息——那些往往是资深专家才了解的行业内幕或未解决的难题。这本书更像是一份“毕业后的持续教育”材料，是每一个想要在该领域深耕的人案头必备的参考。

评分☆☆☆☆☆

我最近在整理我的个人图书馆时，发现手边有几本关于材料科学的经典著作，但真正能让我感到“醍醐灌顶”的，还是这本书的叙事风格。它没有那种高高在上的学术腔调，反而更像是一位对自身研究领域充满热情的同行在分享他的研究心得。特别赞赏作者在讲解实验方法论时的那种细致入微，对于如何设计一个有效的测量方案，如何排除环境干扰，甚至是对数据处理中的统计学考量，都有独到的见解。这让这本书的实用价值大大提升，不再是纯粹的理论探讨。读完后，我立刻尝试将书中的某些分析框架应用到我正在进行的一个小型课题上，效果立竿见影。这本书的价值在于它连接了理论与实践的鸿沟，让冰冷的物理公式充满了生命力和可操作性。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我以前对这方面的内容一直有些畏惧，总觉得那需要极高的数学天赋才能驾驭。然而，这本书的排版和图示设计，彻底打破了我的固有印象。那些精心绘制的能带结构图、晶格振动模式图，配合简洁明了的文字说明，仿佛都在邀请你一起参与这场智力游戏。它的节奏把握得非常好，在适当的时候插入一些历史背景或者某个关键理论的诞生故事，使得阅读体验非常流畅，完全不会让人产生阅读疲劳。我尤其喜欢它在讨论对称性破缺时所采用的图形化表达，比起厚厚的证明过程，这种视觉化的解释更能抓住事物的本质。这本书不仅是知识的载体，更是一件优秀的“知识产品”，体现了出版方对读者体验的重视。

评分☆☆☆☆☆

这套书真是让我大开眼界，尤其是它对量子物理基础的阐述，简直是教科书级别的严谨。作者仿佛是一位经验丰富的老教授，用清晰的逻辑和层层递进的方式，将那些原本看似深奥的概念剖析得淋漓尽致。我记得有一次翻到其中一个关于费米子简并压力的章节，原以为会是一堆复杂的数学公式，结果作者竟然能用非常直观的类比，让我瞬间领悟了其中的物理图像。整个阅读过程就像是跟随一位顶级向导在知识的迷宫中穿行，每一个转角都有新的发现，每一个岔路口都有详尽的指引。对于那些渴望深入理解凝聚态物理或者半导体器件底层原理的读者来说，这本书无疑提供了一个坚实且可靠的知识基石。它不仅仅是知识的堆砌，更是一种思维方式的训练，教会你如何用物理的眼光去看待世界中的微观现象。