纳米尺度能量输运和转换 对电子、分子、声子和光子的统一处理PDF|Epub|txt|kindle电子书版本下载

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第1章 绪论1

1.1 小尺度大作为1

1.2 温度和热量的经典定义5

1.3 宏观传热理论6

1.3.1 热传导6

1.3.2 热对流6

1.3.3 热辐射9

1.3.4 能量平衡11

1.3.5 局部平衡12

1.3.6 宏观理论下的缩放趋势12

1.4 热载流子及其输运的微观描述13

1.4.1 热载流子13

1.4.2 热载流子的容许能级15

1.4.3 能量载流子的统计分布16

1.4.4 简单动理学理论18

1.4.5 平均自由程19

1.5 微纳尺度输运现象20

1.5.1 经典尺寸效应20

1.5.2 量子尺寸效应21

1.5.3 快速输运现象21

1.6 本书的结构23

本章符号表24

参考文献25

习题27

第2章 物质波和能量量子化31

2.1 波的基本特性31

2.2 物质的波动性33

2.2.1 光的波粒二象性33

2.2.2 物质波34

2.2.3 薛定谔方程35

2.3 薛定谔方程求解举例37

2.3.1 自由粒子37

2.3.2 一维势阱中的粒子38

2.3.3 电子自旋和泡利不相容原理41

2.3.4 谐振子42

2.3.5 刚性转子45

2.3.6 氢原子的电子能级46

2.4 本章小结50

本章符号表51

参考文献52

习题53

第3章 固体中的能态56

3.1 晶体结构56

3.1.1 实空间晶格的描述56

3.1.2 实际晶体59

3.1.3 晶体结合势61

3.1.4 倒易格子63

3.2 晶体中的电子能态66

3.2.1 一维周期势能（克勒尼希-彭尼模型）66

3.2.2 实际晶体中电子能带71

3.3 晶格振动和声子73

3.3.1 一维单原子晶格链73

3.3.2 能量量子化和声子75

3.3.3 一维双原子和多原子晶格链76

3.3.4 三维晶体中的声子76

3.4 态密度77

3.4.1 电子态密度78

3.4.2 声子态密度79

3.4.3 光子态密度80

3.4.4 微分态密度和立体角80

3.5 人工结构中的能级81

3.5.1 量子阱、量子线、量子点和碳纳米管81

3.5.2 人工周期结构83

3.6 本章小结85

本章符号表86

参考文献87

习题88

第4章 统计热力学与热能储存91

4.1 系综和统计分布函数91

4.1.1 微正则系综和熵92

4.1.2 正则系综和巨正则系综93

4.1.3 分子配分函数96

4.1.4 费米-狄拉克分布、玻色-爱因斯坦分布和玻尔兹曼分布99

4.2 内能和比热101

4.2.1 气体101

4.2.2 晶体中的电子103

4.2.3 声子105

4.2.4 光子107

4.3 内能和比热的尺寸效应108

4.4 本章小结110

本章符号表112

参考文献113

习题114

第5章 波的能量传递117

5.1 平面波117

5.1.1 平面电子波118

5.1.2 平面电磁波118

5.1.3 平面声波122

5.2 平面波的界面反射和折射124

5.2.1 电子波124

5.2.2 电磁波125

5.2.3 声波130

5.2.4 边界热阻132

5.3 波在薄膜中的传播136

5.3.1 电磁波的传播136

5.3.2 声子和声波140

5.3.3 电子波142

5.4 衰逝波和隧穿142

5.4.1 衰逝波142

5.4.2 隧穿143

5.5 纳米结构中的能量传递：朗道尔公式145

5.6 由波过渡到粒子的描述149

5.6.1 波包和群速度150

5.6.2 相干性和过渡到粒子描述152

5.7 本章小结159

本章符号表160

参考文献162

习题165

第6章 输运过程的粒子描述：经典定律168

6.1 刘维尔方程与玻尔兹曼方程168

6.1.1 相空间和刘维尔方程169

6.1.2 玻尔兹曼方程170

6.1.3 能流强度172

6.2 载流子散射172

6.2.1 散射积分和弛豫时间近似172

6.2.2 声子散射175

6.2.3 电子散射177

6.2.4 光子散射177

6.2.5 分子散射178

6.3 经典本构方程179

6.3.1 傅里叶定律与声子热导率179

6.3.2 牛顿剪切应力定律182

6.3.3 欧姆定律与维德曼-弗兰兹定律183

6.3.4 热电效应与昂萨格关系187

6.3.5 双曲型热传导方程及其适用性190

6.3.6 局部平衡的含义及扩散理论的适用范围192

6.4 守恒方程193

6.4.1 纳维-斯托克斯方程193

6.4.2 电流体力学方程196

6.4.3 声子流体力学方程组197

6.5 本章小结201

本章符号表202

参考文献204

习题206

第7章 经典尺寸效应208

7.1 平行于边界的电子与声子传导的尺寸效应209

7.1.1 沿薄膜的导电210

7.1.2 沿薄膜的声子导热212

7.2 垂直于边界的输运215

7.2.1 两平行平板间的热辐射215

7.2.2 通过薄膜和超晶格的热传导220

7.2.3 在两平行平板间稀薄气体的导热221

7.2.4 通过异质结的电流225

7.3 稀薄泊肃叶流和克努森最小值226

7.4 在非平面结构中的输运230

7.4.1 同轴柱体和球体之间的热辐射230

7.4.2 稀薄气体流动及其对流231

7.4.3 声子热传导231

7.4.4 多维输运问题231

7.5 考虑扩散-透射边界条件的扩散近似232

7.5.1 两平行平板间热辐射234

7.5.2 薄膜中的热传导235

7.5.3 穿过界面的电子输运：热电子发射236

7.5.4 稀薄气体流动的速度滑移239

7.6 弹道-扩散处理法242

7.6.1 热辐射的改进的微分近似法243

7.6.2 声子输运的弹道-扩散方程244

7.7 本章小结247

本章符号表248

参考文献250

习题253

第8章 能量转化与耦合输运过程256

8.1 载流子的散射、产生与复合256

8.1.1 电子-声子间非平衡相互作用257

8.1.2 光子吸收与载流子激发263

8.1.3 激发态载流子的弛豫与复合266

8.1.4 再论玻尔兹曼方程268

8.2 无复合的非平衡电子-声子耦合输运过程269

8.2.1 短脉冲激光加热金属中的热电子效应271

8.2.2 半导体器件中的热电子和热声子效应271

8.2.3 能量转换装置中的冷声子和热声子273

8.3 半导体中的能量交换和复合273

8.3.1 能量源项公式274

8.3.2 p-n结中的能量转化276

8.3.3 半导体的热辐射282

8.4 用于能量转化的纳米结构283

8.4.1 热电器件283

8.4.2 太阳能电池和热光伏能量转换286

8.5 本章小结289

本章符号表290

参考文献292

习题295

第9章 液体及其界面298

9.1 体相液体及其输运特性298

9.1.1 径向分布函数和范德瓦耳斯状态方程298

9.1.2 液体动理学理论300

9.1.3 布朗运动和朗之万方程304

9.2 粒子及界面间的作用力和势能307

9.2.1 分子间势308

9.2.2 表面间范德瓦耳斯势能及作用力309

9.2.3 界面处双电层势能及作用力311

9.2.4 分子结构产生的表面力和势能315

9.2.5 表面张力315

9.3 单相流动和对流的尺寸效应318

9.3.1 微、纳通道的压力驱动流和传热319

9.3.2 电动流动320

9.4 相变的尺寸效应322

9.4.1 曲率对液滴的蒸汽压的影响323

9.4.2 平衡态相变温度的曲率效应324

9.4.3 扩展到固体微粒325

9.4.4 表面张力的曲率效应325

9.5 本章小结326

本章符号表328

参考文献329

习题331

第10章 分子动力学模拟333

10.1 运动方程334

10.2 原子间势能337

10.3 动力学模拟的统计基础340

10.3.1 时间平均与系综平均341

10.3.2 响应函数和克拉默斯-克勒尼希关系342

10.3.3 线性响应理论343

10.3.4 对内部热扰动的线性响应348

10.3.5 热力学和输运特性的微观表达350

10.3.6 恒温系综352

10.4 运动方程求解355

10.4.1 运动方程的数值积分355

10.4.2 初始条件356

10.4.3 周期性边界条件356

10.5 热输运的分子动力学模拟357

10.5.1 平衡态分子动力学模拟357

10.5.2 非平衡态分子动力学模拟360

10.5.3 纳米尺度下热输运的分子动力学模拟362

10.6 本章小结363

本章符号表364

参考文献366

习题370

附录A 均匀半导体372

附录B 半导体p-n结375

索引377

单位及其换算387

物理常量388

译者后记389