Вычислительные нанотехнологии, Попов А.М., 2014

Вычислительные нанотехнологии, Попов А.М., 2014.

  Посвящено вычислительным аспектам, возникающим при создании устройств наноразмеров. Представлены многомасштабные модели для описания систем частиц от квантового уровня до моделирования молекулярной динамики и сплошной среды. Приводятся основные методы, положенные в основу существующих в мире современных пакетов программ для изучения и проектирования наносистем.
Учебное пособие создано в учебно-научной студенческой лаборатории INTEL факультета ВМК МГУ и поддержано корпорацией INTEL.
Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения.
Для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся на компьютерном моделировании наносистем.




Наноэлектроника.
Это направление является особенным в том смысле, что именно здесь развитие нанотехнологий привело к выдающимся результатам. Для этого необходимо получить представление о том, что такое квантовые точки, нити и полупроводниковые гетероструктуры. Это даст понимание того, что разработка технологий в целом основана на квантовых эффектах. Электроны в полупроводниковых структурах ведут себя как квантовые объекты. Выделяют три основных типа наноструктур: квантовые ямы, нити и точки, причем последние называют искусственными атомами.

Квантовая точка — это фрагмент полупроводника, ограниченный по всем трем пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Квантовая точка создастся из потенциальной ямы определенной ширины, когда квантовые эффекты являются существенными. В потенциальной яме уровни энергии дискретны. Квантовые эффекты в данном случае заключаются в наличии дискретных уровней энергии и возможности управления ими. В одной квантовой точке содержится много атомов и размер точки должен быть нанометровый, чтобы проявлялись квантовые эффекты. Такую точку называют искусственным атомом из-за возможности регулирования уровнями энергии за счет ширины и формы ямы. В отличие от настоящих атомов частотами переходов в квантовых точках легко управлять, меняя размеры нанокристалла полупроводника.

Оглавление
1. Введение
2. Размерные эффекты в различных областях нанотехнологий
2.1. Наноматериалы
2.2. Наноэлектроника
2.3. Нанохимия. Химические свойства
2.4. Нанобиомедицина
2.5. Разработка молекулярного конструктора
2.6. Наносенсоры
2.7. Вычислительные проблемы оптической литографии
3. Модели квантовых наносистем с приближенными потенциалами
3.1. Примеры точных решений уравнения Шредингера для модельных потенциалов и параметры квантовых наноструктур
3.2. Теория возмущений
3.3. Теория сканирующего туннельного микроскопа
3.4. Квантовые точки
3.4.1. Квантовое удержание в полупроводниках
3.4.2. Математическая постановка задачи расчета массивов квантовых точек на основе модельных кусочно-постоянных потенциалов
3.4.3. Численный схемы для моделирования массивов квантовых точек
3.4.4. Индустриальные применения квантовых точек
4. Вычислительные квантовые модели «из первых принципов»
4.1. Точное решение уравнения Шредингера для атома водорода. Атомные орбитали как базисные функции приближенных решений
4.2. Численные методы определения собственных функции и собственных значений
4.3. Численное моделирование многоэлектронных атомов на основе уравнений Хартри — Фока
4.4. Упрощенное описание системы многих частиц. Уравнения Хартри
4.5. Тождественность частиц и обменный потенциал. Уравнения Хартри — Фока
4.6. Атомная структура в приближении центрального поля
4.7. Определение самосогласованного решения уравнений Хартри — Фока
4.8. Последовательное определение потенциалов и волновых функций
5. Расчет электронной структуры молекул
5.1. Потенциальная поверхность.
5.2. Стационарное уравнение Шредингера для молекулы
5.3. Уравнения Хартри - Фока для расчета электронной структуры молекулы
5.4. Энергия детерминанта Слейтера
5.5. Вариационный метод решения уравнений Хартри — Фока для молекул
5.6. Информация, получаемая методом Хартри — Фока
5.7. Развитие вычислительных подходов ab initio для расчета электронной структуры молекул
6. Модели теории функционала плотности
6.1. Уравнения Кона— Шэма
6.2. Аппроксимация локальной плотности
6.3. Численное решение уравнений теории функционала плотности
6.4. Обобщенная градиентная аппроксимация
6.5. Дальнейшее усовершенствование обощенной градиентной аппроксимации
6.6. Замечания по численным методам теории функционала плотности
7. Моделирование системы электронов в твердом теле
7.1. Приближения потенциалов взаимодействия частиц
7.2. Представление решений в форме волн Блоха
7.3. Ортогонализированные плоские волны
8. Пакеты программ ab initio и их возможности для задач нанотехнологий
9. Терафлопсные вычисления для моделирования в нанотехнолологиях
10. Примеры использования численных моделей в задачах нанотехнологий
10.1. Устройства хранения данных. Нанопамять
10.2. Материалы
10.3. Использование методов ab initio для изучения наноматериалов и наноморфологии
10.4. Локализация и координация примесей и дефектов в нанокристаллическом алмазе
10.5. Формирование роста гибридных углеродных наноматериалов
11. Метод молекулярной динамики. Вычисление макроскопических параметров системы усреднением по времени
11.1. Расчет макроскопических, термодинамических параметров. Вириальное уравнение состояния
11.2. Алгоритм молекулярной динамики
12. Молекулярная динамика со связями для моделирования систем макромолекул
12.1. Взаимодействие молекул
12.2. Разделение сил взаимодействий на короткодействующие (локальные) и дальнодействующие (нелокальные) силы
12.3. Свободные взаимодействия между атомами. Валентно-несвязанные атомы
12.4. Молекулярная динамика с жесткими внутримолекулярными связями
12.5. Численные алгоритмы молекулярной динамки со связями
13. Молекулярная динамика из первых принципов на основе теории функционала плотности
13.1. Молекулярная динамика Борна — Оппенгеймера
13.2. Молекулярная динамика Кар - Парринелло
14. Молекулярные переключатели
14.1. Наименьшие молекулярные переключатели
14.2. Индуцированная током таутомеризация водорода и переключение проводимости молекул нафталоцианина
14.3. Вычислительные модели молекулярного переключения
15. Нанобиомедицина
15.1. Дизайн лекарств. Использование молекулярной динамики со связями
15.2. Молекулярная динамика на основе теории функционала плотности для задач вычислительной биологии
16. Моделирование методом Монте-Карло
16.1. Алгоритм Метрополиса для системы частиц
16.2. Квантовые методы Монте-Карло для изучения наноструктур
16.3. Генетический алгоритм
16.4. Молекулярное моделирование методом Монте-Карло в нанолитографии
17. Модели сплошной среды для изучения наносистем
17.1. Модель сплошной среды для задачи оптической литографии
17.2. Фазовые переходы. Кинетика роста нанокластеров
17.3. Непрерывная модель размерно-зависимой твердости наноразмерных торсионных элементов
17.4. Моделирование стенок магнитных доменов в наномасштабных ферромагнетиках для создания объектов высокоскоростной логики
Список литературы.

Купить .





Теги: учебник по нанотехнологии :: нанотехнология :: Попов