纳米材料热传导 段文晖,张刚 科学出版社有限责任公司 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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段文晖，张刚 著

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• 传热学
• 段文晖
• 张刚
• 科学出版社
• 纳米技术
• 热物理性质

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出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030511379

商品编码：26694416147

包装：平装

出版时间：2018-03-01

图书基本信息
图书名称	纳米材料热传导	作者	段文晖,张刚
定价	158.00元	出版社	科学出版社有限责任公司
ISBN	9787030511379	出版日期	2018-03-01
字数		页码
版次	31	装帧	平装
开本	128开	商品重量	0.4Kg

内容简介

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。

作者简介

目录

编辑推荐

文摘

序言

凝聚态物理前沿探索：电子与声子输运理论及应用 导读： 本书聚焦于凝聚态物理学中至关重要的能量和动量输运现象，系统阐述了电子和声子在晶体及非晶材料中的输运理论模型、实验表征方法及其在能源、热电、光电子器件等前沿领域的具体应用。全书内容立足于第一性原理计算、密度泛函理论（DFT）框架下的能带结构分析，深入探讨了载流子散射机制的微观本质，旨在为材料科学研究者、物理学专业学生及工程技术人员提供一套全面且深入的理论工具箱和实践指导。 --- 第一部分：热力学基础与输运的微观图像 本书伊始，首先回顾了统计物理和固体物理学的基本概念，为后续的复杂输运理论奠定坚实的理论基础。 第一章：晶体结构、晶格振动与能带理论回顾 本章详细梳理了布拉维点阵、倒易空间的概念，重点阐述了晶格动力学的基础——声子的引入。通过牛顿运动方程和周期性边界条件，推导了色散关系（Dispersion Relation）的计算方法，包括对长波极限（声学支与光学支）的分析。随后，章节转向电子的描述，复习了紧束缚近似（Tight-Binding Method）和晶体场理论，详细介绍了如何利用薛定谔方程和周期性势场构建电子的能带结构。特别是，对布洛赫定理的物理意义及其在电子输运中的核心作用进行了深入剖析。 第二章：玻尔兹曼输运方程（BTE）的构建与应用前提 本章将理论的焦点集中于玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）。BTE被视为描述偏离平衡态下粒子分布函数演化的核心方程。我们将详细推导BTE，并重点讨论其适用条件，即介观尺度和长弛豫时间假设。 弛豫时间近似（Relaxation Time Approximation, RTA）： 这是求解BTE最常用的方法。本节将精确定义弛豫时间 $ au$，并讨论它如何与散射率相关联。 散射项的微观起源： 详细分析了引起分布函数偏离的各种散射过程，包括电子-声子散射（声学和光学声子）、电子-电子散射（库仑相互作用）以及缺陷和杂质散射。对每种散射过程，均采用费米黄金定则（Fermi's Golden Rule）进行定量描述。 平均自由程与寿命： 通过计算电子和声子的平均自由程 $lambda = v_g au$，直观地展示了材料微观结构对宏观输运性质的影响。 --- 第二部分：电子输运理论的深化与计算方法 本部分聚焦于电子在材料中的运动特性，特别是电导率、霍尔效应等电学性质的理论建模。 第三章：电导率与迁移率的计算 本章基于BTE的RTA解，推导出电导率 $sigma$ 的一般表达式。重点讨论了如何利用电子的有效质量张量（Effective Mass Tensor）来描述各向异性导电性。 各向异性与晶带结构： 以硅（Si）和石墨烯（Graphene）为例，展示了在高对称性晶体中，电子能带的曲率如何直接决定了有效质量，并进而影响迁移率。 玻尔兹曼方程的半经典求解： 详细展示了在恒定电场作用下，如何通过迭代法或解析法求解稳态下的分布函数，并计算出电流密度。 第四章：量子输运模型与量子霍尔效应 面对纳米尺度下的量子效应，本章引入了更先进的量子输运理论。 Landauer-Büttiker 公式： 阐述了如何利用散射矩阵（S-matrix）描述界面和纳米结构中的电荷传输，这对于理解量子点、量子阱中的输运至关重要。 自洽计算方法： 引入了第一性原理计算（DFT/HSE06）与BTE相结合的“Boltztrap”类方法。详细介绍了如何从实空间和倒易空间的数据中提取出散射率和输运系数，实现从原子结构到宏观电导率的精确预测。 --- 第三部分：声子输运与热导率分析 本部分转向热量载流子——声子，这是理解非金属材料热导率的关键。 第五章：晶格热导率的理论框架 本章深入分析了热量如何通过晶格振动在材料中传播，并推导了晶格热导率 $kappa_L$ 的玻尔兹曼形式。 声子散射机制的竞争： 详细区分了三种主要的声子-声子散射过程：三声子（Umklapp & Normal）过程和四声子过程。重点分析了在不同温度下（如低温的克希勒极限和高温的德拜极限）主导的散射机制。 计算声子输运系数： 探讨了如何利用有限差分法（Finite Difference Method）或拟谐波近似（Quasi-Harmonic Approximation）计算声子频率、群速度和声子态密度（Phonon Density of States, PDOS）。 第六章：缺陷、无序与热阻抗 本章探讨了晶体缺陷、晶界和材料无序对热输运的强力抑制作用，这对于热电材料的性能优化至关重要。 Mass-Disorder 散射： 利用随机平均场理论（Coherent Potential Approximation, CPA）或虚拟晶体近似（Virtual Crystal Approximation, VCA）来模拟合金体系中的点缺陷散射。 界面与边界散射： 讨论了Gray-Skelp公式和Dellalande-Voigt模型对有限尺寸效应和纳米结构中热边界电阻（Thermal Boundary Resistance, TBR）的描述。 --- 第四部分：多物理场耦合与前沿应用 最后一部分将电子和声子的输运理论相结合，应用于热电材料和新型功能器件的性能预测。 第七章：热电输运的耦合理论 热电效应（塞贝克效应、珀尔帖效应）是电子和声子输运共同作用的结果。 塞贝克系数（Seebeck Coefficient）： 在BTE框架下，推导出塞贝克系数 $S$ 与电子输运系数、温度和费米能级的关系。 热电优值因子 ($ZT$)： 详细分析了 $ZT = frac{S^2 sigma T}{kappa_L + kappa_e}$ 的构建。强调了“解耦（Decoupling）”策略——如何通过声子散射增强（低 $kappa_L$）和电子输运优化（高 $S^2sigma$）来最大化 $ZT$ 值。 第八章：先进材料中的输运特性案例研究 本章选取了当前研究热点材料进行深入的理论分析。 拓扑材料（如狄拉克/Weyl 半金属）： 分析了其独特的线性色散关系如何导致极高的电子迁移率，以及高阶的电子-电子相互作用对输运的影响。 二维材料（如MoS$_2$, hBN）： 探讨了在低维限制下，声子寿命的延长效应如何导致异常高的室温热导率，以及表面声子模式（Surface Phonons）对界面热阻的贡献。 --- 结语： 本书力求在理论深度与实际应用之间架起桥梁，为读者提供一套严谨、系统的凝聚态材料热电输运分析方法论。通过对电子和声子输运机制的全面解析，读者将能够更好地理解和设计下一代能源转换与热管理器件。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计初看之下，就给人一种沉稳扎实的感觉，封面采用了一种略带哑光的质感，摸上去很有分量，字体排版清晰，标题“纳米材料热传导”几个字的设计也颇具匠心，既体现了学术的严谨性，又不失现代感。内页纸张的选择也很考究，墨色浓郁，长时间阅读下来眼睛也不会感到疲劳，这对于一本技术性很强的专业书籍来说至关重要。从目录的编排来看，作者显然花费了大量精力进行系统性的梳理和构建，逻辑层次非常分明，从基础的理论物理背景，到具体的实验方法和模型建立，再到前沿的应用探讨，脉络清晰得像一张精密的路线图。尤其是对关键概念的界定和公式的推导部分，处理得尤为细致入微，足见作者在内容组织上的深厚功力。这本书的视觉呈现本身，就传递出一种对知识的敬畏和对读者的尊重，让人在翻开扉页之前，就已经对接下来的阅读内容充满了期待，它不仅仅是一本工具书，更像是一件精心打磨的工艺品，摆在书架上都让人赏心悦目。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我对这种前沿的交叉学科书籍，通常会有一个心理预期：要么过于偏重理论而忽略了实际的测量限制，要么就是为了追求“新颖”而对基础概念解释得含糊不清。但读完这本书中关于界面热阻的章节后，我的看法有了极大的转变。作者们非常坦诚地探讨了当前实验技术在测量极薄膜热导率时所面临的固有误差和系统偏差，这在很多“完美化”的教材中是看不到的。他们不仅告诉我们“应该”是什么，更告诉我们“实际能测到”的是什么，以及如何通过参数修正来尽可能地逼近真实值。这种脚踏实地的态度，对于需要进行实验验证和数据对比的研究人员来说，无疑是极具价值的。它提供了一种批判性的视角，帮助读者在吸收新知识的同时，保持一份对实验结果的审慎和怀疑，这比单纯的知识灌输要重要得多。

评分☆☆☆☆☆

这本书的篇幅虽然不薄，但整体阅读体验非常流畅，这得益于作者在章节过渡和主题衔接上的高超技巧。很多专业书籍的结构往往是僵硬的模块堆砌，读者在从一个章节跳到另一个章节时，常常需要耗费精力去重新构建知识的联系。然而，在这部作品中，热传导机制的讨论总能自然地引出下一部分关于材料结构调控的话题，再由结构的变化自然过渡到特定应用场景下的性能预测，形成了一个完整的逻辑闭环。我特别欣赏作者在论述特定材料体系（比如二维材料或复合结构）时，所采用的“问题—模型—验证—展望”的叙事模式，这种模式不仅能让读者清晰地把握研究脉络，更能激发进一步探索的兴趣，让人在读完一个部分后，迫不及待地想知道作者接下来将如何解决下一个难题。

评分☆☆☆☆☆

我是一名资深的材料工程师，多年来一直关注热管理领域的技术迭代。市面上充斥着各种关于热传导的入门读物，但真正能触及到“机制深处”并提供“可操作性理论框架”的书籍凤毛麟角。这本书的价值，恰恰在于它成功地架起了理论物理与工程实践之间的鸿沟。它没有停留在对宏观傅里叶定律的简单复述，而是深入到了声子输运、电子-声子耦合，乃至量子效应在纳米尺度下的具体体现。对于我这样需要设计具有特定热学性能的薄膜和涂层的人来说，书中关于缺陷工程和晶界散射的详细讨论，提供了直接的设计参数参考。更令人印象深刻的是，它对不同计算方法（如分子动力学模拟与密度泛函理论计算）的适用范围和精度进行了客观的对比分析，这使得我们能够根据项目需求，选择最合适的理论工具进行辅助设计，极大地提高了研发效率和准确性。

评分☆☆☆☆☆

我最近在尝试将一些基础的热力学知识应用到新型储能器件的散热设计中，这方面的跨学科学习对我来说是个不小的挑战。过去我接触的文献大多是零散的期刊论文，概念跳跃性太大，很难形成一个完整的知识体系。直到我入手了这本关于纳米材料热传导的专著，那种豁然开朗的感觉，简直难以言喻。作者似乎完全理解我们这些在实际工程中摸索的人的心态，他们并没有一味地堆砌高深的数学公式，而是在关键的物理机制解释上给予了极大的耐心和深度。比如，对于声子散射理论在低维结构中的修正，书中不仅给出了详尽的数学推导，还穿插了大量的图示来辅助理解，那些原本抽象的波函数和界面效应，通过这些图例变得直观可感。这种兼顾理论深度与可读性的叙事方式，极大地降低了学习曲线的陡峭程度，让我能够更自信地将书中的理论工具应用到我的具体项目验证中去，而不是仅仅停留在概念的表层。