碳電子學

前言

　　在新興前沿領域的快速發(fā)展過程中，及時整理、歸納、出版前沿科學的系統(tǒng)性專著，一直是發(fā)達國家在國家層面上推動科學與技術發(fā)展的重要手段，是一個國家保持科學技術的領先權和引領作用的重要策略之一?！　】茖W技術的發(fā)展和應用，離不開知識的傳播：我們從事科學研究，得到了“數(shù)據(jù)”（論文），這只是“信息”。將相關的大量信息進行整理、分析、形成體系并實踐，才變成“知識”。信息和知識如果不能交流，就沒有用處，所以需要“傳播”（出版），這樣才能被更多的人“應用”，被更有效地應用，被更準確地應用，知識才能產(chǎn)生更大的社會效益，國家才能在越來越高的水平上發(fā)展。所以，數(shù)據(jù)－信息－知識－傳播－應用－效益－發(fā)展，這是科學技術推動社會發(fā)展的基本流程。其中，知識的傳播，無疑具有橋梁的作用?！　≌麄€20世紀，我國在及時地編輯、歸納、出版各個領域的科學技術前沿的系列專著方面，已經(jīng)大大地落后于科技發(fā)達國家，其中的原因有許多，我認為更主要的是緣于科學文化的習慣不同：中國科學家不習慣去花時間整理和梳理自己所從事的研究領域的知識，將其變成具有系統(tǒng)性的知識結構。所以，很多學科領域的第一本原創(chuàng)性“教科書”，大都來自歐美國家。當然，真正優(yōu)秀的著作不僅需要花時間和精力，更重要的是要有自己的學術思想和對這個學科領域的充分把握和高度概況的學術能力?！　〖{米科技已經(jīng)成為21世紀前沿科學技術的代表領域之一。其對經(jīng)濟和社會發(fā)展所產(chǎn)生的潛在影響，已經(jīng)成為全球關注的焦點。國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）會刊在2006年12月評論：“現(xiàn)在的發(fā)達國家如果不發(fā)展納米科技，今后必將淪為第三世界發(fā)展中國家?！币虼耍澜绺鲊?，尤其是科技強國都將發(fā)展納米科技作為國家戰(zhàn)略?！　∨d起于20世紀后期的納米科技，給我國提供了與科技發(fā)達國家同步發(fā)展的良好機遇。目前，各國政府都在加大力度出版納米科技領域的教材、專著以及科普讀物。在我國，納米科技領域尚沒有一套能夠系統(tǒng)、科學地展現(xiàn)納米科學技術各個方面前沿進展的系統(tǒng)性專著。因此，國家納米科學中心與科學出版社共同發(fā)起并組織出版《納米科學技術大系》，力求體現(xiàn)本領域出版讀物的科學性、準確性和系統(tǒng)性，全面科學地闡述納米科學技術前沿、基礎和應用。

內容概要

本書主要探討作為微電子學的下一代——納電子學，相應于微電子器件的主流材料硅，碳被認為是下一代電子器件材料，用其構成的器件和電路將是未來智能信息時代的基礎。作為第一代電子學，其中最主要的代表是電信號三極放大管，以其為最基本的非線性元件，與電阻、電容、電感等線性元件組合構成復雜電路。本書主要討論納米尺度的碳結構，以及用其構成的器件，包括碳納米材料的原子結構、電子結構，碳納米球、碳納米管和石墨烯的三極管和電路，以及場發(fā)射電子源等。突出了相位相干性，討論相位電子學特征，進而涉及非費米液體行為和關聯(lián)電子學等有關問題，為思考未來信息科技發(fā)展的人們提供參考。    本書可供電子學、物理學、化學、材料科學等相關學科的科研人員及研究生、本科生閱讀參考。

作者簡介

薛增泉  教授、博士生導師。1963年畢業(yè)于北京大學無線電電子學系，后留校任教，先后從事真空電子學、陰極電子學、表面科學技術，薄膜電子學、光電功能薄膜、納電子學、分子電子學等方面的教學和研究工作。出版著作有《薄膜物理》、《電子發(fā)射與電子能譜》、《熱力學與統(tǒng)計物理》、《納米科技探索》、《納米電子學》、《分子電子學》等。

書籍目錄

《納米科學技術大系》序前言緒論  §1  科技發(fā)展的機遇  §2  納米電子學  §3  摩爾定律之外  §4  NBIC匯聚技術  §5  碳時代  參考文獻第1章  碳的異構體  §1  碳的軌道雜化  §2  碳的異構體  參考文獻第2章  碳60與巴基蔥  §1  碳60  §2  巴基蔥  §3  碳60單電子管  §4  單電子管電路  §5  碳納米管填充富勒烯  參考文獻第3章  碳納米管制造  §1  電弧放電法  §2  激光蒸發(fā)法  §3  化學氣相沉積法  參考文獻第4章  碳納米管的原子結構  §1  碳納米管結構的分類  §2  單胞與Brillouin區(qū)  參考文獻第5章  碳納米管的電子結構  §1  單電子色散關系  §2  態(tài)密度和能隙  §3  Peierls相變  參考文獻第6章  理想的納米電子材料  §1  碳納米管的電學特性  §2  未來的主流電子材料  §3  碳管的電導率和遷移率  參考文獻第7章  碳納米管的傳輸特性  §1  在一維線中的電子輸運  §2  三種傳輸特征  §3  彈道導體  §4  經(jīng)典輸運  §5  局域化  §6  普適電導漲落  §7  碳納米管的電子傳輸  §8  碳納米管電導與溫度的關系  參考文獻第8章  碳納米管中電子的彈道輸運  §1  納米尺度彈道輸運概念  §2  共振傳輸  §3  碳納米管的彈道輸運  §4  碳納米管的超導特性  §5  尺寸對超導特性的影響  §6  單壁碳納米管的超導  §7  碳納米管的超導近鄰效應  §8  單壁碳納米管的超流  §9  多壁碳納米管的超流  參考文獻第9章  碳納米管的自旋傳輸和微波傳輸  §1  碳納米管自旋傳輸  §2  碳納米管微波傳輸  參考文獻第10章  電子全息  §1  全息概念  §2  全息的發(fā)展進程  §3  電子全息  參考文獻第11章  碳納米管場發(fā)射  §1  場發(fā)射電子源  §2  碳納米管場發(fā)射陰極  §3  碳納米管的相干場發(fā)射  §4  碳納米管場發(fā)射模擬計算  §5  吸附對場發(fā)射的影響  §6  碳納米管場發(fā)射的原子像  §7  碳納米管場發(fā)射的穩(wěn)定問題  參考文獻第12章  彈道電子發(fā)射  §1  彈道電子發(fā)射源  §2  彈道電子場發(fā)射理論  §3  單壁碳納米管彈道場發(fā)射  §4  相干電子束特性檢測儀  §5  超強高亮度相干電子發(fā)射源  §6  beeser的可能應用  參考文獻第13章  碳納米管三極管  §1  納電子器件的基本概念  §2  碳納米管三極管  §3  碳納米管超流三極管  §4  可調碳納米管振蕩器  §5  碳納米管超導量子相干器件  參考文獻第14章  三極管的雙極特性  §1  場效應管的雙極特性  §2  理論模擬  §3  主要參量  §4  雙極性管電路  §5  碳納米管CMOS倒相器  參考文獻第15章  碳納米管電路  §1  納米尺度電路連接  §2  碳納米管電路匹配  §3  碳納米管的連接  §4  碳納米管邏輯電路  §5  碳納米管集成電路  §6  碳納米管彈道CMOS電路  參考文獻第16章  石墨烯  §1  石墨烯的發(fā)現(xiàn)  §2  石墨烯的結構與特性  §3  石墨烯三極管  §4  雙層石墨烯電子器件  §5  石墨烯的奇異特性  參考文獻第17章  碳納米管中的電子強關聯(lián)  §1  固體的量子統(tǒng)計模型  §2  軌道電子云  §3  量子調控  §4  在碳納米管中的電子一電子強作用  §5  碳納米管中的關聯(lián)效應  參考文獻第18章  碳電子學發(fā)展前景  §1  碳納米管傳感器  §2  功能器件  §3  新型電子源  §4  電子器件與電路  §5  智能電路  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　當今談論納電子學發(fā)展途徑和前景時，很多人受摩爾定律（圖0.5）和勞雷爾路線圖（圖0.6）的影響，束縛在一種傳統(tǒng)的框架中。設想當年晶體管研究者如果不能擺脫真空電子管結構、工作原理的影響，那么其在后來的興趣必然是所謂真空微電子管，而不會發(fā)展成大規(guī)模集成電路。傳統(tǒng)知識是未來發(fā)展的基礎，但更多的是對新思維的禁錮。這可能嚴重地束縛了人們對納米時代科技發(fā)展前景的認識和思考。現(xiàn)今有些人在探索基于物理學發(fā)展的新一代光電功能器件，它可能不局限于納米尺寸的，具有綜合調控功能的復雜器件，這就是本章所要討論的核心問題。物理學面臨新的發(fā)展機遇，基于它的信息科技也具有革命性發(fā)展的可能，即處于科技躍變前夜。未來的電子器件和其集成電路的功能將會從本質上不同于微電子，與真空電子和微電子的變革性發(fā)展相比，將有更多超出人們預料的特征。這就是本節(jié)標題強調摩爾定律之外的用意所在。　　2.量子調控　　量子力學是20世紀初在解釋黑體輻射、光電效應、原子光譜等基礎上誕生的近代物理中的重要學科，其主要內容涉及普朗克常數(shù)、光子假設、微觀粒子的波粒二象性[德布羅意（De Broglie）波]、海森堡（Heisenberg）不確定性原理和描述粒子運動波函數(shù)的薛定諤（Schr6dinger）方程等。量子理論成功地處理了20世紀諸多近代科學問題，成為信息時代高科技的基礎。　　用量子力學處理固體導電問題，經(jīng)歷了幾個逐步深入的過程。在金屬晶體中的電子是個多體問題，將其經(jīng)過絕熱近似、平均場近似、周期場近似等得到單電子模型，這就是費米（Fermi）氣體，即金屬中參與共有化運動的電子相互間沒有作用，稱為準自由電子，遵從費米統(tǒng)計分布。索末菲爾德（Sommofield）首先用單電子理論成功地說明了金屬導電問題。進一步考慮晶體點陣原子核對電子的作用，作為準自由電子的微擾，建立了能帶論，說明了半導體的結構與特性。繼而考慮電子間的弱相互作用和低能激發(fā)情況，修正了單電子近似，給出了費米液體模型。單電子模型和費米液體模型是微電子學發(fā)展的理論基礎，是量子力學初級應用的結果，創(chuàng)建了20世紀人類科技發(fā)展的巨大成就。21世紀人類面臨著從利用粒子振幅與相位，以及多粒子相互作用在更深層次上開展量子力學問題的研究，目前粒子的相位和多粒子間的相互作用是量子力學在納米材料、器件和凝聚態(tài)體系應用的重要理論問題。電子自旋、軌道電子云分布有序結構等多種參量相互耦合將呈現(xiàn)豐富的物理內容，層出不窮的新效應和新物態(tài)將被發(fā)現(xiàn)。量子調控就是研究多粒子間的相位、自旋、軌道電子云等特性，以及之間的復雜耦合行為。通過外場控制各種流，是復雜動力學問題，如調控電子自旋流，電場產(chǎn)生磁性、磁場引起電流，綜合場引起復雜流，以及復雜的磁、光、電現(xiàn)象，多種因素相互競爭產(chǎn)生強耦合的巨大響應結果等。

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