项目名称： 纳米体系的量子输运理论与模拟

推荐单位： 香港特别行政区

项目简介：

本项目的研究领域是纳米电子器件的输运理论与模拟。半导体微电子技术的大量应用在过去几十年中已从根本上改变了人们的生活,微电子技术的核心---场效应晶体管的尺度在2007年已缩小到了45纳米，预计将在未来十五年左右到达原子极限。因此,微电子器件的进一步发展迫切需要新的工作原理、设计、结构和材料。纳米电子学的目标就是在不远的将来发展出这一崭新的具有战略意义的技术，这就是为什么全世界所有工业国都在尽力发展纳米电子学的原因。

纳米电子学的发展离不开理论上的理解和数值模拟。但是,纳米电子学理论与模拟和传统的微电子学中的计算机辅助设计（EDA）有本质的不同。传统的EDA模拟方法是基于经典或半经典理论，不足以描述纳米体系中复杂的量子效应。该方法主要通过拟合大量实验曲线来获得材料及电子输运的经典参数，而当电子器件越来越小时，这种拟合就变得越来越不准确及成本越来越大。显然纳米电子学需要一个基于第一原理的电子输运理论和模拟方法。这个新理论和方法应不带有任何唯象的可调参数并且可以准确地,定量地预言纳米器件的电子输运特性。发展出这样一个方法具有重大科学意义和影响。

过去十年里,我们的主要工作是建立和发展上述纳米电子学第一原理的理论和模拟方法。首先,我们在基于非平衡态格林函数理论(NEGF)的电子输运理论上做了大量工作,完善、发展和推广了这一量子输运理论。其次,我们成功地将NEGF与DFT电子结构计算方法有机地结合起来,从而发展出了目前世界上最先进的从头计算量子输运理论、方法和计算软件。我们的工作得到了国际上的广泛认可，处于世界领导地位，已发表有关论文56篇,这些论文被他引1057次，多次在Nature（影响因子26.7）、Reviews of Modern Physics（影响因子33.5）、Physics Reports（影响因子10.4）、……等杂志上的文章被引用，并在国外专著中被大篇幅综述。其中首次阐述NEGF+DFT方法的那篇论文已被他引242次，被公认为标准的纳米输运第一原理计算方法。

主要发现点： 由于纳米电子器件的性质和工作原理与器件的材料及电子结构的细节密切相关,器件也一般处在非平衡的工作状态,因此纳米电子学的理论必须建立在将电子输运的多体理论,非平衡态的量子统计理论以及电子结构的微观计算方法密切结合的大框架下。我们的研究成功地建立起了这样一个理论框架和与它相关的模拟方法及具体实施的计算软件,对纳米电子学研究起到了很大的推动作用。

1. 核心发现点. 在建立理论框架的同时,我们认识到如果能把电子结构的微观计算方法-实空间密度泛函理论(DFT)与非平衡态格林函数(NEGF)电子输运理论相结合,将对纳米电子学理论产生深远影响。这一思想是基于用DFT来计算电子器件的微观量子结构和能级,用NEGF来处理电子输运的非平衡态统计规律,在实空间来处理器件的输运边界条件。经过长期努力，我们终于在2000年实现了这个突破(以2000年我们的论文寄出时间为准)。我们的NEGF+DFT新理论和方法的两篇论文自2001年发表（见论文6、7）即引起极大关注,已被总共他引326次(论文6他引84次，论文7他引242次),被公认为标准的纳米输运第一原理计算方法。目前世界上已有很多个研究小组采用我们的具体方法编写出类似的纳米输运程序,包括美国的Berkeley，Duke，Purdue，Florida State大学和Sandia国家实验室,以及丹麦、 西班牙、日本、中国、法国、韩国、爱尔兰、瑞典等国的研究小组,并且都重复验证了我们的大量结果。我们的理论结果与实验已可定量相比，我们的一些预言也被实验所证实, 例如最近美国耶鲁大学Reed教授所发表的实验（J. Phys. Chem. B 108, 8742（2004））。基于我们的NEGF+DFT方法，一个欧洲的软件公司（www.atomistix.com）开发出商用纳米器件模拟软件。目前，世界上至少有好几百个研究小组和电子企业（包括主要的大公司如SONY, HP等）用此软件进行纳米研究.

2. 其它重要发现点. 在纳米电子输运的理论框架方面，我们从非平衡态格林函数多体理论出发，第一个给出了有限频率下的非线性交流量子输运理论和完整的非线性直流量子输运理论。我们的理论（见论文2）解决了很久以来存在于非平衡态格林函数量子输运理论中交变电流守恒和规范不变性的问题。应用这个理论，我们在纳米电子学物理方面进行了一系列的重要工作。在参数泵电子输运的研究中,我们首先发现了绝热参数泵输运的共振效应（见论文5）,并将参数泵理论推广到有限频率及正常超导混合体。在铁磁导线近藤效应的工作中,我们的理论被应用于强关联体系并发现自旋极化电流是探测近藤峰的有效方法（见论文8）。在研究纳米碳管的遂穿磁阻结时,我们发现单个纳米管可以给出巨磁阻（见论文4）。我们提出了自旋流电池的概念:即纯自旋流可以通过光子辅助跃迁而产生（见论文10）。通过一个旋转磁场，我们发现纯自旋流可以在纳米器件中产生并可控（见论文9）。这些工作对自旋电子学非常有意义并受到广泛重视。

主要完成人： 王健

根据非平衡态格林函数方法，我们解决了在非平衡量子输运理论领域的一个长期难以克服的难题：非线性交流量子输运中的电流守恒和规范不变性。我们发展了一种理论方法：将密度泛函理论结合于非平衡态格林函数。这种NEGF+DFT理论使我们可以计算处于非平衡态的纳米器件的电荷/自旋量子输运而不借助任何外部可调参数。这项工作标志着我们向纳米器件的定量计算迈出了重要的一步。该NEGF+DFT方法被公认为标准的纳米输运第一原理计算方法。在本项目的所有创新及发现点中,本人所占工作量为百分之五十.