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項目名稱： 納米體系的量子輸運理論與模擬
推薦單位： 香港特別行政區(qū)
項目簡介：
本項目的研究領(lǐng)域是納米電子器件的輸運理論與模擬。半導(dǎo)體微電子技術(shù)的大量應(yīng)用在過去幾十年中已從根本上改變了人們的生活,微電子技術(shù)的核心---場效應(yīng)晶體管的尺度在2007年已縮小到了45納米，預(yù)計將在未來十五年左右到達原子極限。因此,微電子器件的進一步發(fā)展迫切需要新的工作原理、設(shè)計、結(jié)構(gòu)和材料。納米電子學(xué)的目標(biāo)就是在不遠的將來發(fā)展出這一嶄新的具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)，這就是為什么全世界所有工業(yè)國都在盡力發(fā)展納米電子學(xué)的原因。
納米電子學(xué)的發(fā)展離不開理論上的理解和數(shù)值模擬。但是,納米電子學(xué)理論與模擬和傳統(tǒng)的微電子學(xué)中的計算機輔助設(shè)計（EDA）有本質(zhì)的不同。傳統(tǒng)的EDA模擬方法是基于經(jīng)典或半經(jīng)典理論，不足以描述納米體系中復(fù)雜的量子效應(yīng)。該方法主要通過擬合大量實驗曲線來獲得材料及電子輸運的經(jīng)典參數(shù)，而當(dāng)電子器件越來越小時，這種擬合就變得越來越不準(zhǔn)確及成本越來越大。顯然納米電子學(xué)需要一個基于第一原理的電子輸運理論和模擬方法。這個新理論和方法應(yīng)不帶有任何唯象的可調(diào)參數(shù)并且可以準(zhǔn)確地,定量地預(yù)言納米器件的電子輸運特性。發(fā)展出這樣一個方法具有重大科學(xué)意義和影響。
過去十年里,我們的主要工作是建立和發(fā)展上述納米電子學(xué)第一原理的理論和模擬方法。首先,我們在基于非平衡態(tài)格林函數(shù)理論(NEGF)的電子輸運理論上做了大量工作,完善、發(fā)展和推廣了這一量子輸運理論。其次,我們成功地將NEGF與DFT電子結(jié)構(gòu)計算方法有機地結(jié)合起來,從而發(fā)展出了目前世界上最先進的從頭計算量子輸運理論、方法和計算軟件。我們的工作得到了國際上的廣泛認可，處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，已發(fā)表有關(guān)論文56篇,這些論文被他引1057次，多次在Nature（影響因子26.7）、Reviews of Modern Physics（影響因子33.5）、Physics Reports（影響因子10.4）、……等雜志上的文章被引用，并在國外專著中被大篇幅綜述。其中首次闡述NEGF+DFT方法的那篇論文已被他引242次，被公認為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運第一原理計算方法。
主要發(fā)現(xiàn)點： 由于納米電子器件的性質(zhì)和工作原理與器件的材料及電子結(jié)構(gòu)的細節(jié)密切相關(guān),器件也一般處在非平衡的工作狀態(tài),因此納米電子學(xué)的理論必須建立在將電子輸運的多體理論,非平衡態(tài)的量子統(tǒng)計理論以及電子結(jié)構(gòu)的微觀計算方法密切結(jié)合的大框架下。我們的研究成功地建立起了這樣一個理論框架和與它相關(guān)的模擬方法及具體實施的計算軟件,對納米電子學(xué)研究起到了很大的推動作用。
1. 核心發(fā)現(xiàn)點. 在建立理論框架的同時,我們認識到如果能把電子結(jié)構(gòu)的微觀計算方法-實空間密度泛函理論(DFT)與非平衡態(tài)格林函數(shù)(NEGF)電子輸運理論相結(jié)合,將對納米電子學(xué)理論產(chǎn)生深遠影響。這一思想是基于用DFT來計算電子器件的微觀量子結(jié)構(gòu)和能級,用NEGF來處理電子輸運的非平衡態(tài)統(tǒng)計規(guī)律,在實空間來處理器件的輸運邊界條件。經(jīng)過長期努力，我們終于在2000年實現(xiàn)了這個突破(以2000年我們的論文寄出時間為準(zhǔn))。我們的NEGF+DFT新理論和方法的兩篇論文自2001年發(fā)表（見論文6、7）即引起極大關(guān)注,已被總共他引326次(論文6他引84次，論文7他引242次),被公認為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運第一原理計算方法。目前世界上已有很多個研究小組采用我們的具體方法編寫出類似的納米輸運程序,包括美國的Berkeley，Duke，Purdue，F(xiàn)lorida State大學(xué)和Sandia國家實驗室,以及丹麥、 西班牙、日本、中國、法國、韓國、愛爾蘭、瑞典等國的研究小組,并且都重復(fù)驗證了我們的大量結(jié)果。我們的理論結(jié)果與實驗已可定量相比，我們的一些預(yù)言也被實驗所證實, 例如最近美國耶魯大學(xué)Reed教授所發(fā)表的實驗（J. Phys. Chem. B 108, 8742（2004））�；谖覀兊腘EGF+DFT方法，一個歐洲的軟件公司（www.atomistix.com）開發(fā)出商用納米器件模擬軟件。目前，世界上至少有好幾百個研究小組和電子企業(yè)（包括主要的大公司如SONY, HP等）用此軟件進行納米研究.
2. 其它重要發(fā)現(xiàn)點. 在納米電子輸運的理論框架方面，我們從非平衡態(tài)格林函數(shù)多體理論出發(fā)，第一個給出了有限頻率下的非線性交流量子輸運理論和完整的非線性直流量子輸運理論。我們的理論（見論文2）解決了很久以來存在于非平衡態(tài)格林函數(shù)量子輸運理論中交變電流守恒和規(guī)范不變性的問題。應(yīng)用這個理論，我們在納米電子學(xué)物理方面進行了一系列的重要工作。在參數(shù)泵電子輸運的研究中,我們首先發(fā)現(xiàn)了絕熱參數(shù)泵輸運的共振效應(yīng)（見論文5）,并將參數(shù)泵理論推廣到有限頻率及正常超導(dǎo)混合體。在鐵磁導(dǎo)線近藤效應(yīng)的工作中,我們的理論被應(yīng)用于強關(guān)聯(lián)體系并發(fā)現(xiàn)自旋極化電流是探測近藤峰的有效方法（見論文8）。在研究納米碳管的遂穿磁阻結(jié)時,我們發(fā)現(xiàn)單個納米管可以給出巨磁阻（見論文4）。我們提出了自旋流電池的概念:即純自旋流可以通過光子輔助躍遷而產(chǎn)生（見論文10）。通過一個旋轉(zhuǎn)磁場，我們發(fā)現(xiàn)純自旋流可以在納米器件中產(chǎn)生并可控（見論文9）。這些工作對自旋電子學(xué)非常有意義并受到廣泛重視。
主要完成人： 王健
根據(jù)非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，我們解決了在非平衡量子輸運理論領(lǐng)域的一個長期難以克服的難題：非線性交流量子輸運中的電流守恒和規(guī)范不變性。我們發(fā)展了一種理論方法：將密度泛函理論結(jié)合于非平衡態(tài)格林函數(shù)。這種NEGF+DFT理論使我們可以計算處于非平衡態(tài)的納米器件的電荷/自旋量子輸運而不借助任何外部可調(diào)參數(shù)。這項工作標(biāo)志著我們向納米器件的定量計算邁出了重要的一步。該NEGF+DFT方法被公認為標(biāo)準(zhǔn)的納米輸運第一原理計算方法。在本項目的所有創(chuàng)新及發(fā)現(xiàn)點中,本人所占工作量為百分之五十.
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