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Contents
1 Computer Simulations of Undercooled Fluids and Glasses
K. Binder, D. Herzbach, J. Horbach, M.H. M¨user . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 A Tutorial Review of the MD Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 The Verlet Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 How to Estimate Intensive Thermodynamic Variables
from Microcanonical MD Runs;
Realization of Other Ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Diffusion, Hydrodynamic Slowing Down, Einstein
and Green–Kubo Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 A Comparative Test of Model Potentials for Silica . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Simulations of Molten and Glassy Silicon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 Mixtures of Silicon Dioxide with Sodium Oxide
and Aluminium Oxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Simulation of Inorganic Nanotubes
A.N. Enyashin, S. Gemming, G. Seifert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Design of Inorganic Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 General Criteria for the Stability of Inorganic Nanotubes . . . . . . . . 38
2.4 Theoretical Prediction of the Properties
of Non-Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1 Nanotubes of the IVA Group Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2 Nanotubes of the VA Group Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.3 Nanotubes of Boron and Borides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.4 Nanotubes of Boron Nitride and its Analogues . . . . . . . . . . 45
X Contents
2.4.5 Nanotubes of Chalcogenides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.6 Nanotubes of Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Spintronics: Transport Phenomena
in Magnetic Nanostructures
P. Zahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Magnetism in Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Magnetism in Reduced Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2 First Principals Calculational Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3 Magnetic Interlayer Exchange Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Transport Phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1 Transport Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Diffusive and Coherent Transport Regime. . . . . . . . . . . . . . . 67
Boltzmann Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Residual Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Landauer Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2 Giant Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Microscopic Origin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3 Tunneling Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Microscopic Origin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Theoretical Investigation of Interfaces
S. Gemming, M. Schreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1 Interfaces – Boundaries Between Two Phases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.1.2 Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Coulomb Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Elastic Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Electron Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Pauli Repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Image Charge Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2 Theoretical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.1 Theory of the Electronic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Density-Functional Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Computational Details of Bulk State Calculations . . . . . . . 100
Density-Functional Tight-Binding Approaches . . . . . . . . . . 100
Contents XI
4.2.2 Classical Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Image-Charge Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Effective Many-Body Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Ionic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3 Homophase Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.1 Pristine Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.2 Non-Stoichiometric and Doped Boundaries . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
55.3.1 The Envelope Function Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.2 Elastic Deformation and Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.3 Carrier Densities at Non-Zero Temperature . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.4 Charge Distributions and the Poisson Equation . . . . . . . . . . 134
5.4 Carrier Transport in Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.1 Classical Ballistic Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.2 Scattering and the Boltzmann Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.4.3 The Drift-Diffusion Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
55.5 The nextnano3 Simulation Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.1 Capabilities Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6 Metallic Nanocrystals and Their Dynamical Properties
Jens-Boie Suck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.2 Production of Nanocrystalline Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
XII Contents
6.4 Some General Properties of Grains
and Grain Boundaries of Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.5 Some Examples of the Special Properties
of Nanocrystals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.5.1 Melting Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.5.2 Some Magnetic Properties
of Nanocrystalline Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5.3 Some Mechanical Properties
of Nanocrystalline Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.6 Vibrational Properties
of Metallic Nanocrystalline Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.1 General Remarks on the Atomic Dynamics
of Metallic Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.2 Phonon Confinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.6.3 Grain-Size Dependence of the Atomic Dynamics . . . . . . . . . 172
6.6.4 Comparison with the Atomic Dynamics
of Metallic Nanocrystals and the Related
Amorphous Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.6.5 Specific Investigations Concerning the Contribution
of the Grain Boundaries and Surfaces
to the Observed Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

好书一本！中国重点大学的学生应用英文原版教材学习几门关键的专业课。

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