中国电子信息工程科技发展研究 后摩尔时代微纳新器件电磁场专题

电磁场是现代电子信息技术发展的重要理论基础。后摩尔时代纳米尺度光电信息器件受尺度效应和量子效应的显著影响，导致经典电磁场难以精确预测其电学特性。本书针对这一核心问题，从纳米尺度电磁理论出发，阐述了电磁场量子化理论、计算电磁学、材料学，以及其在纳米尺度光电子器件的应用，为后摩尔时代纳米尺度光电子器件及系统工程设计提供非经典的微观电磁场理论实用框架。本书系统回答了长期困扰科学家和工程师的经典麦克斯韦方程在何种尺度和状态下可精确表述的问题，特别为后摩尔时代新微纳器件进入纳米及几个原子层级，需融合量子动力学、新材料模型、非线性模型以及微观至宏观跨尺度混合模型的泛麦克斯韦方程提供参考。

“电磁超材料研究”，2022年获浙江省自然科学奖一等奖。“系统级电磁防护及建模研究”，2021年获国际IEEE EMC IEEE Laurence G. Cumming 卓越贡献奖。“纳米尺度微观电磁理论新拓展及创新实验研究”，2015年获国际IEEE 司徒达特杰出奖

目录
《中国电子信息工程科技发展研究》编写说明
前言
第1章 微纳尺度电磁场理论 1
1.1 国内外研究进展 2
1.2 电磁场与微观粒子相互作用机理 7
1.2.1 电磁场与微观粒子的基本概念 7
1.2.2 电磁场对微观粒子的作用 8
1.2.3 微观粒子对电磁场的影响 10
1.2.4 相互作用的理论基础 12
1.2.5 应用与影响 15
1.3 Maxwell-Schr？dinger耦合方程 15
1.3.1 Maxwell方程与量子电动力学 16
1.3.2 Schr？dinger方程 17
1.3.3 耦合过程 19
1.3.4 应用 21
1.4 外加电磁场下的光学布洛赫方程 24
1.4.1 量子力学基础与光学布洛赫方程的背景 25
1.4.2 外加电磁场对光学布洛赫方程的影响 27
1.4.3 光学布洛赫方程的物理意义与应用 28
1.5 微观物质的波动效应 29
1.5.1 微观物质波动的基础理论 30
1.5.2 波动效应的实验验证与观察 31
1.5.3 微观物质波动效应在现代物理中的应用 32
1.6 本章小结 34
参考文献 35
第2章 微纳尺度的量子电磁场理论 39
2.1 电磁场的量子化表达及物理意义 40
2.2 麦克斯韦方程的电磁能量描述 41
2.2.1 电磁势的引入 42
2.2.2 矢量磁位与横向电场 43
2.2.3 哈密顿量与哈密顿方程 45
2.3 电磁场能量的模式分解 46
2.4 基于模式分解的电磁量子化方法 48
2.4.1 经典谐振子的量子化及对易关系 48
2.4.2 产生与湮灭算符 50
2.4.3 电磁场的量子化形式及物理意义 50
2.5 微扰影响下的电磁量子化方法 52
2.6 量子化麦克斯韦方程的实际应用 55
2.7 本章小结 63
参考文献 65
第3章 微纳尺度器件的电磁场计算及应用 68
3.1 FEM算法与先进计算电磁学内涵初探 70
3.1.1 电磁仿真助力微纳尺度新型器件设计 70
3.1.2 计算电磁学的经典算法——有限元算法 70
3.1.3 计算电磁学的创新算法——统一间断有限元法 71
3.1.4 先进计算电磁学的发展趋势——先进算法初探 73
3.2 材料-器件-电路-系统跨尺度计算 77
3.2.1 材料-器件-电路-系统跨尺度计算的背景与意义 77
3.2.2 材料-器件-电路-系统跨尺度计算的挑战 78
3.2.3 材料-器件-电路-系统跨尺度计算的理论与方法 79
3.3 电、磁、热、力、载流子、量子修正多场耦合模拟 85
3.3.1 多物理场耦合的基本概念 85
3.3.2 多物理场耦合的数值模拟方法 86
3.3.3 多物理场耦合数值模拟的研究现状 87
3.4 FDTD计算Maxwell-Schr？dinger耦合方程 88
3.4.1 理论基础 89
3.4.2 数值求解策略 91
3.5 微纳尺度器件中不确定性量化方法 100
3.5.1 微纳尺度器件中高维不确定性 100
3.5.2 不确定性量化的发展历程 102
3.5.3 现有不确定性量化算法 104
3.5.4 微纳尺度器件中不确定性量化应用 108
3.6 AI增量赋能器件设计 109
3.6.1 AI发展的飞速进程与其在微纳光电器件设计中的
关键角色 111
3.6.2 快速仿真：AI 赋能微纳光电器件设计的核心引擎 115
3.6.3 机器学习的技术实现与模型降阶的关键路径 117
3.7 本章小结 121
参考文献 122
第4章 纳米尺度微观电磁场理论 127
4.1 微观电磁学量子建模及实验验证 129
4.1.1 电磁学量子修正总体思路 129
4.1.2 量子电荷转移等离激元的经典电磁特性分析 130
4.1.3 量子修正建模 132
4.1.4 空间电荷量子修正模型 135
4.1.5 介质金属-分子-金属量子建模 141
4.1.6 实验验证 144
4.2 纳米尺度电磁学的通用理论 150
4.2.1 纳米尺度电磁学的通用理论概述 150
4.2.2 模型构建 150
4.2.3 实验测试与仿真对比 153
4.3 本章小结 154
参考文献 155
第5章 后摩尔时代微纳电子器件电磁场 157
5.1 纳米电子器件中的量子输运 160
5.1.1 非平衡格林函数求解方法与定态量子输运 162
5.1.2 交流小信号非平衡格林函数方法 166
5.1.3 基于薛定谔方程修正的漂移扩散输运模型 167
5.1.4 量子修正的漂移扩散输运模型 170
5.1.5 麦克斯韦方程和含时量子输运方程概述 173
5.1.6 麦克斯韦方程和含时量子输运方程的数值解法 175
5.2 微纳芯片电磁问题 179
5.2.1 微纳芯片的电磁特性概述 179
5.2.2 类脑计算芯片的电磁问题 191
5.2.3 类脑计算芯片的电磁建模与分析方法 196
5.3 芯粒集成电磁仿真设计 203
5.3.1 芯粒集成的电磁特性概述 203
5.3.2 芯粒集成中的电磁完整性设计 206
5.3.3 芯粒集成中的多物理完整性设计 211
5.4 本章小结 218
参考文献 219
第6章 微纳光电子器件电磁场 225
6.1 纳米光子等离激元的量子电磁问题 226
6.1.1 等离激元的基本概念与性质 226
6.1.2 量子电磁学框架下的等离激元相互作用问题 229
6.2 有源表面等离激元光电子器件电磁仿真设计 232
6.2.1 基于非弹性量子隧穿的表面等离激元光源 232
6.2.2 基于表面等离激元增强的片上微纳探测器 235
6.2.3 基于表面等离激元的高速可调超构表面 239
6.3 无源表面等离激元光电子器件电磁仿真设计 243
6.3.1 表面等离激元超构表面 243
6.3.2 复合表面等离激元波导电磁特性 248
6.4 微纳光子学器件电磁仿真设计 252
6.4.1 微纳光子学器件概述 252
6.4.2 微纳光子学器件的设计和仿真方法 254
6.5 本章小结 258
参考文献 260
第7章 微纳结构超材料电磁场 263
7.1 信息电磁超材料 265
7.2 数字电磁超材料 267
7.3 智能电磁超材料 269
7.3.1 带有传感器的智能超材料 269
7.3.2 物理AI硬件 271
7.3.3 基于深度学习的超材料全息图 275
7.4 拓扑电磁超材料 277
7.4.1 QH拓扑超材料 278
7.4.2 QSH拓扑超材料 280
7.4.3 QVH拓扑超材料 281
7.5 量子电磁超材料 284
7.5.1 量子信息处理关键平台 284
7.5.2 量子电磁超材料应用 290
7.6 本章小结 299
参考文献 301
第8章 展望 306
8.1 电磁量子化驱动新器件发展展望 306
8.2 AI 赋能后摩尔时代新器件的电磁问题解决方案 307
8.3 智能辅助计算电磁学及新应用 311
8.4 电磁场在新器件中的应用展望 314
参考文献 319
名词术语中英文对照表 321