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低維材料概論 版權信息
- ISBN：9787030746528
- 條形碼：9787030746528 ; 978-7-03-074652-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
低維材料概論 內容簡介
本書為“低維材料與器件叢書”之一。低維材料是以至少一個方向上為原子到納米尺度的量子點、納米晶、納米線、納米管、石墨烯、石墨炔及其他二維材料等為基本單元構筑的新興材料體系，是當前凝聚態物理和材料科學的研究前沿，蘊含著精妙的理論、奇特的結構、獨特的性質和能源、信息、健康等領域的廣闊應用。本書簡要闡述了低維材料的理論基礎；介紹了低維材料的結構特點、表征方法，以及自下而上制備與組裝和自上而下加工的結構控制策略；考察了低維材料的力學、電學、磁學、熱學、化學和光學性質，以及其維度、尺度和耦合效應；系統梳理了低維材料與器件的應用優勢、現狀和挑戰；在總結低維材料科學與應用中已取得巨大成就的基礎上，對尚存難題、發展極限和突破方向進行了展望。
低維材料概論 目錄
目錄
總序
前言
第1章 低維材料的理論基礎 1
1.1 量子力學基礎 2
1.1.1 薛定諤方程 2
1.1.2 量子限域和維度效應 3
1.2 低維體系的能量分布 5
1.2.1 電子能帶 5
1.2.2 晶格聲子 7
1.2.3 光子晶體 9
1.2.4 態密度的維度效應 9
1.3 能帶拓撲空間 10
1.4 低維熱力學 11
1.5 低維體系的能量輸運 12
1.5.1 玻爾茲曼方程 13
1.5.2 粒子擴散漂移 13
1.5.3 粒子彈道輸運 14
1.5.4 波動相干傳播 15
1.6 低維體系的能量轉化 15
1.7 小結 18
參考文獻 20
第2章 低維材料的獨*結構 22
2.1 零維結構 24
2.1.1 團簇的幻數穩定性 24
2.1.2 納米晶的晶面與形狀 25
2.1.3 *完美的分子C60 26
2.2 一維結構 27
2.2.1 聚乙炔：極限一維結構 28
2.2.2 碳納米管的手性 28
2.2.3 超細金屬納米線 29
2.2.4 半導體納米線 31
2.3 二維結構 32
2.3.1 二維材料的穩定性 32
2.3.2 二維材料的對稱性 33
2.3.3 二維材料的缺陷 35
2.4 異質結構 37
2.4.1 零維核殼結構 38
2.4.2 一維異質結構 39
2.4.3 二維異質結構 40
2.5 小結 41
參考文獻 42
第3章 低維材料的控制制備 51
3.1 低維材料制備基本原理 52
3.1.1 自下而上與自上而下 52
3.1.2 生長和組裝熱力學 52
3.1.3 生長和組裝動力學 55
3.1.4 低維結構的控制策略 55
3.2 低維材料的生長方法 56
3.2.1 分子合成 56
3.2.2 液相生長 57
3.2.3 氣相生長 60
3.2.4 機器學習輔助生長 63
3.3 低維結構的組裝方法 65
3.3.1 自組裝基本原理 66
3.3.2 液相組裝 67
3.3.3 液晶組裝 67
3.3.4 液相界面組裝 68
3.3.5 氣液界面組裝 68
3.3.6 靜電逐層組裝 69
3.3.7 外場引導組裝 70
3.3.8 動態自組裝 71
3.4 低維材料的加工方法 71
3.4.1 光刻加工 72
3.4.2 粒子束加工 72
3.4.3 機械加工 73
3.4.4 剝離減薄 76
3.5 小結 78
參考文獻 78
第4章 低維材料的結構表征 87
4.1 結構表征原理 87
4.1.1 表征技術分類 87
4.1.2 衍射極限與成像突破 89
4.2 透射電子顯微鏡 90
4.2.1 高分辨成像 91
4.2.2 相位解析 93
4.2.3 三維重構 94
4.2.4 原位透射電鏡 95
4.3 掃描電子顯微鏡 99
4.3.1 原子級分辨率 99
4.3.2 形貌與性質襯度 100
4.3.3 原位測量材料性質 100
4.3.4 原位觀察材料生長 101
4.4 掃描探針顯微鏡 102
4.4.1 掃描隧道顯微鏡 102
4.4.2 原子力顯微鏡 106
4.5 譜學表征技術 110
4.5.1 光學譜 111
4.5.2 電子譜 115
4.5.3 磁共振譜 117
4.6 小結 118
參考文獻 119
第5章 低維材料的性質 130
5.1 力學性質 130
5.1.1 彈性變形 131
5.1.2 塑性變形 132
5.1.3 斷裂韌性 132
5.2 電學性質 133
5.2.1 電學界面 134
5.2.2 電子輸運 135
5.2.3 離子輸運 137
5.3 磁學性質 138
5.3.1 磁性耦合 139
5.3.2 磁性調控 141
5.4 熱學性質 144
5.4.1 真空熱輻射 144
5.4.2 流體熱傳輸 145
5.4.3 固體熱傳導 145
5.5 化學性質 148
5.5.1 異質催化“火山圖” 148
5.5.2 熱催化反應 149
5.5.3 電化學反應 150
5.5.4 光電化學反應 152
5.6 光學性質 154
5.6.1 表面等離子體振蕩 154
5.6.2 半導體帶邊發光 155
5.6.3 單光子源 157
5.6.4 非線性光學 158
5.7 小結 158
參考文獻 159
第6章 低維材料的應用技術 167
6.1 低維信息材料 168
6.1.1 信息處理 168
6.1.2 信息存儲 174
6.1.3 超越摩爾 176
6.1.4 低維傳感器 178
6.2 低維能源材料 182
6.2.1 太陽能電池 183
6.2.2 人工光合成燃料 187
6.2.3 熱電轉化 195
6.2.4 電化學儲能與轉化 197
6.3 低維醫用材料 206
6.3.1 疾病預防 206
6.3.2 健康監測 208
6.3.3 疾病診療 209
6.3.4 生物安全性研究與討論 211
6.4 低維復合材料 212
6.4.1 復合材料理論模型 212
6.4.2 力學增強復合材料 213
6.4.3 導電復合材料 215
6.4.4 熱界面復合材料 216
6.4.5 多功能復合材料 217
6.5 小結 218
參考文獻 219
第7章 低維材料的既往、當下與未來 234
7.1 低維材料的既往：基礎構建 234
7.1.1 理論的新發展 234
7.1.2 新結構的發現 235
7.1.3 新技術的發明 235
7.1.4 材料研發的新范式 236
7.2 低維材料的當下：實際應用 236
7.2.1 應用成果 236
7.2.2 行業規范 237
7.3 低維材料的未來：突破極限 238
7.4 結語 240
參考文獻 240
關鍵詞索引 244
總序
前言
第1章 低維材料的理論基礎 1
1.1 量子力學基礎 2
1.1.1 薛定諤方程 2
1.1.2 量子限域和維度效應 3
1.2 低維體系的能量分布 5
1.2.1 電子能帶 5
1.2.2 晶格聲子 7
1.2.3 光子晶體 9
1.2.4 態密度的維度效應 9
1.3 能帶拓撲空間 10
1.4 低維熱力學 11
1.5 低維體系的能量輸運 12
1.5.1 玻爾茲曼方程 13
1.5.2 粒子擴散漂移 13
1.5.3 粒子彈道輸運 14
1.5.4 波動相干傳播 15
1.6 低維體系的能量轉化 15
1.7 小結 18
參考文獻 20
第2章 低維材料的獨*結構 22
2.1 零維結構 24
2.1.1 團簇的幻數穩定性 24
2.1.2 納米晶的晶面與形狀 25
2.1.3 *完美的分子C60 26
2.2 一維結構 27
2.2.1 聚乙炔：極限一維結構 28
2.2.2 碳納米管的手性 28
2.2.3 超細金屬納米線 29
2.2.4 半導體納米線 31
2.3 二維結構 32
2.3.1 二維材料的穩定性 32
2.3.2 二維材料的對稱性 33
2.3.3 二維材料的缺陷 35
2.4 異質結構 37
2.4.1 零維核殼結構 38
2.4.2 一維異質結構 39
2.4.3 二維異質結構 40
2.5 小結 41
參考文獻 42
第3章 低維材料的控制制備 51
3.1 低維材料制備基本原理 52
3.1.1 自下而上與自上而下 52
3.1.2 生長和組裝熱力學 52
3.1.3 生長和組裝動力學 55
3.1.4 低維結構的控制策略 55
3.2 低維材料的生長方法 56
3.2.1 分子合成 56
3.2.2 液相生長 57
3.2.3 氣相生長 60
3.2.4 機器學習輔助生長 63
3.3 低維結構的組裝方法 65
3.3.1 自組裝基本原理 66
3.3.2 液相組裝 67
3.3.3 液晶組裝 67
3.3.4 液相界面組裝 68
3.3.5 氣液界面組裝 68
3.3.6 靜電逐層組裝 69
3.3.7 外場引導組裝 70
3.3.8 動態自組裝 71
3.4 低維材料的加工方法 71
3.4.1 光刻加工 72
3.4.2 粒子束加工 72
3.4.3 機械加工 73
3.4.4 剝離減薄 76
3.5 小結 78
參考文獻 78
第4章 低維材料的結構表征 87
4.1 結構表征原理 87
4.1.1 表征技術分類 87
4.1.2 衍射極限與成像突破 89
4.2 透射電子顯微鏡 90
4.2.1 高分辨成像 91
4.2.2 相位解析 93
4.2.3 三維重構 94
4.2.4 原位透射電鏡 95
4.3 掃描電子顯微鏡 99
4.3.1 原子級分辨率 99
4.3.2 形貌與性質襯度 100
4.3.3 原位測量材料性質 100
4.3.4 原位觀察材料生長 101
4.4 掃描探針顯微鏡 102
4.4.1 掃描隧道顯微鏡 102
4.4.2 原子力顯微鏡 106
4.5 譜學表征技術 110
4.5.1 光學譜 111
4.5.2 電子譜 115
4.5.3 磁共振譜 117
4.6 小結 118
參考文獻 119
第5章 低維材料的性質 130
5.1 力學性質 130
5.1.1 彈性變形 131
5.1.2 塑性變形 132
5.1.3 斷裂韌性 132
5.2 電學性質 133
5.2.1 電學界面 134
5.2.2 電子輸運 135
5.2.3 離子輸運 137
5.3 磁學性質 138
5.3.1 磁性耦合 139
5.3.2 磁性調控 141
5.4 熱學性質 144
5.4.1 真空熱輻射 144
5.4.2 流體熱傳輸 145
5.4.3 固體熱傳導 145
5.5 化學性質 148
5.5.1 異質催化“火山圖” 148
5.5.2 熱催化反應 149
5.5.3 電化學反應 150
5.5.4 光電化學反應 152
5.6 光學性質 154
5.6.1 表面等離子體振蕩 154
5.6.2 半導體帶邊發光 155
5.6.3 單光子源 157
5.6.4 非線性光學 158
5.7 小結 158
參考文獻 159
第6章 低維材料的應用技術 167
6.1 低維信息材料 168
6.1.1 信息處理 168
6.1.2 信息存儲 174
6.1.3 超越摩爾 176
6.1.4 低維傳感器 178
6.2 低維能源材料 182
6.2.1 太陽能電池 183
6.2.2 人工光合成燃料 187
6.2.3 熱電轉化 195
6.2.4 電化學儲能與轉化 197
6.3 低維醫用材料 206
6.3.1 疾病預防 206
6.3.2 健康監測 208
6.3.3 疾病診療 209
6.3.4 生物安全性研究與討論 211
6.4 低維復合材料 212
6.4.1 復合材料理論模型 212
6.4.2 力學增強復合材料 213
6.4.3 導電復合材料 215
6.4.4 熱界面復合材料 216
6.4.5 多功能復合材料 217
6.5 小結 218
參考文獻 219
第7章 低維材料的既往、當下與未來 234
7.1 低維材料的既往：基礎構建 234
7.1.1 理論的新發展 234
7.1.2 新結構的發現 235
7.1.3 新技術的發明 235
7.1.4 材料研發的新范式 236
7.2 低維材料的當下：實際應用 236
7.2.1 應用成果 236
7.2.2 行業規范 237
7.3 低維材料的未來：突破極限 238
7.4 結語 240
參考文獻 240
關鍵詞索引 244
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低維材料概論 節選
第1章低維材料的理論基礎 低維材料定義為至少在一個維度上尺寸處于納米尺度的材料，主要包括零維、一維和二維結構，以及以低維結構為基本單元構筑的復合結構、組裝體和功能器件。低維材料研究以量子力學為基礎，在從原子到宏觀尺度的多層次、多耦合的復雜體系中，研究維度與尺度效應，建立結構-物性關聯，設計、生長和加工低維材料與結構，構建功能器件，實現其在能源、環境、信息和健康等領域的應用（圖1.1）。 維度與尺度效應體現在能量的分布形式與輸運過程中。決定一個體系是否出現量子效應的特征長度是德布羅意波長，即，與粒子質量m成反比。光子是零質量的粒子，其在任何溫度和尺度下都會表現出量子波動特性。材料中費米面附近的電子，對應的德布羅意波長為，與電子有效質量成反比。在金屬和半導體中，德布羅意波長通常為納米尺度。輸運行為的特征長度是平均自由程和相位弛豫長度，分別對應粒子散射過程中初始動量信息丟失和相位信息丟失的長度，也在納米量級。因此低維材料可能表現出分立能級、彈道輸運和相干傳輸等量子效應。 本章將介紹低維材料的理論基礎，包括量子力學基礎、平衡態的能量分布、非平衡態的能量輸運和轉化過程。以低維材料為平臺，考察其電子、聲子和光子等作為能量載體的基本（準）粒子依據量子力學基本理論而發生的相互作用，進而展現與維度和尺度相關的獨*性質。從薛定諤方程出發，將從三個方面介紹低維材料的理論基礎：①能量形式與分布；②能量如何傳遞；③能量如何轉化。 1.1 量子力學基礎 量子力學是決定材料結構、性質和功能的*基本原理，被稱為“**性原理”。本節將以薛定諤方程為起點，介紹從自由電子到低維體系中電子的薛定諤方程求解過程，各自邊界條件體現量子化能量的限域作用和維度效應。 1.1.1 薛定諤方程 薛定諤方程描述了量子態及其隨時間的演化： 其中，為體系波函數；i為虛數單位；為約化普朗克常量；為時間微分算符；為系統哈密頓量。波函數是體系自由度（空間坐標、時間和自旋等）的一個復函數，需要滿足費米子或玻色子所對應的對稱性要求。波函數本身不是一個可以被感知或測量的物理量，沒有經典物理量的對應關系。由波函數可以計算概率分布，即波函數振幅的平方，表示體系在某時刻處于某狀態的概率，因此波函數可理解為概率波。如果是方程的解，具有不同相位的也是方程的解，不會改變其概率分布和系統狀態物理量的測量結果。波函數的相位是量子態干涉和量子計算的基礎。另外，薛定諤方程是一個線性方程，因此如果和都是方程的解，其線性組合也是方程的解，這就是量子力學中的態疊加原理、量子干涉等波動效應的來源。 是哈密頓量，對應體系能量，體現了系統內以及環境的相互作用。通常哈密頓量包括體系中每個粒子的動能和勢能，即。非相對論條件下，哈密頓量可一般性地表述為。不同的量子體系則體現在其勢能的不同。電場中的帶電粒子具有電勢能；磁場中的粒子則要考慮電磁向量勢的作用；多粒子體系要考慮粒子之間的庫侖相互作用；在含重原子的材料中需要考慮電子自旋-軌道相互作用等。只要體系哈密頓量確定，求解薛定諤方程原則上可以獲得該體系所有可獲得的信息。實際困難在于，一方面對體系相互作用的準確理解和哈密頓量形式的確定，另一方面隨著體系粒子數目的增加，求解方程的復雜度呈指數增加。 材料的穩態性質對應于哈密頓量不顯含時的情況。薛定諤方程可以通過變量分離的方法，分成空間與時間兩部分，其空間部分為定態薛定諤方程： 其中，為哈密頓量；為多粒子波函數；為本征能量。求解后獲得的具有本征能量的系統波函數=，稱為定態。由于特定的本征能量是常數，其對應的定態物理可觀測量期望值也是常數。求解定態薛定諤方程得到的能量本征值及其分布是理解材料物理性質的基礎。從分子的能級分布就可分析其光吸收譜的特征；從半導體能帶結構可推知其直接或間接帶隙，預估其作為光催化半導體的光吸收范圍等性質。 材料中非平衡態的能量輸運和轉化等過程，如結構表征中的粒子散射、半導體器件中的電子輸運、光催化半導體材料中的光生載流子或激子動力學等，需要考慮量子態的時間演化，體系狀態由含時薛定諤方程決定，即 需要注意的是，薛定諤方程不滿足洛倫茲變換。相對論條件下，對自旋的粒子，對應的是著名的狄拉克方程，其哈密頓量為。其中，4×4矩陣；為泡利矩陣；為2×2的單位矩陣。通常只有速度接近光速的體系才需要考慮相對論效應，而在石墨烯二維體系中，由于其特殊的晶體對稱性，電子滿足的方程具有零質量費米子狄拉克方程的形式。 1.1.2 量子限域和維度效應 材料的物理化學性質主要由電子結構決定。通過電子間的相互作用形成了不同的化學鍵，決定了材料的化學性質；化學鍵結合進一步構成分子和晶體，決定了材料的力學和熱學等性質；電子在周期勢場中形成能帶結構，決定材料的電學性質；電子與光場的相互作用則決定了材料的光學性質。 材料的電子性質可通過求解在不同哈密頓量和邊界條件下的薛定諤方程得到。模型體系包括自由電子、無限深勢阱中的電子、原子球對稱勢阱中的電子和周期勢場的晶體電子等。 自由電子的哈密頓量只有動能，沒有勢能。波函數解為平面波，能量與動量色散關系為，其中k為波矢。金屬中近自由電子和半導體中導帶底與價帶頂電子的色散關系近似保持類似的拋物線形式。 氫原子中的電子在球對稱庫侖作用勢下有解析解，其中，為球坐標系中的徑向、極角和方位角坐標；R為一個隨r指數衰減的函數；Y為球諧函數；n為與能量相關的主量子數；l與m分別為角動量量子數與磁量子數，不同的量子數組合成不同的電子軌道。 低維材料中的電子可用無限深勢阱模型描述，在此邊界條件下，邊界波函數為零，導致的一個重要結果是能量量子化：與勢阱寬度的平方（d2）成反比。低維材料的有限尺度決定了勢阱的寬度，這是零維納米晶、一維碳納米管、二維材料的帶隙與尺寸、直徑和厚度關聯出現量子限域效應的根本原因［圖1.2（a）］。 低維材料電子結構與維度的關系體現在近自由電子在不同維度的態密度形式上［圖1.2（b）］。對于自由電子氣的態密度，根據其拋物線色散關系，可得三維自由電子氣的態密度；二維：～常數，態密度呈臺階狀；一維：表現出一系列范霍夫奇點；零維：能態為分立能級。
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