石墨烯的结构与基本性质

作者: 刘开辉著

出版社: 华东理工大学出版社

出版时间: 2020-11

版次: 1

ISBN: 9787562861003

定价: 238.00

装帧: 精装

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 296页

分类: 自然科学

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本书详细介绍了石墨烯的结构与基本性质,对石墨烯的发展历史、电学性质、光学性质、热学性质、力学性质、化学性质、磁学性质、带隙、异质结、复合结构及电学可调性等各个方面进行了介绍。

本书可作为高等学校材料相关专业本科高年级学生、研究生的学习用书,以及教师、科技工作者和企业专业技术人员的参考书,尤其对从事石墨烯材料研究的科研人员将具有很好的指导意义。刘开辉，北京大学特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者，北京市杰青基金获得者。2004年本科毕业于北京师范大学物理系。2009年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。2009年至2014年在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后工作。2014年被聘为北京大学物理学院研究员，博士生导师。从事界面调控二维材料生长动力学和物性的研究，特别关注发展全新科学技术手段以解决新的科学问题。发展了单个低维材料单元水平的纳米光谱学、原位透射电镜、化学气相沉积结合技术，在理解单个低维材料的生长、结构和性质的直接对应关系，揭露低维凝聚态物理中的新颖规律和材料生长机理中开展了系列工作，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究等方向取得了多项研究成果。第 1 章石墨烯的结构及其发现历史 001

1.1 石墨烯的发现历史 003

1.1.1 二维材料的热力学不稳定性 004

1.1.2 从薄层石墨到石墨烯的发现 005

1.1.3 石墨烯引起的研究热潮 007

1.2 石墨烯的晶体学结构 011

1.2.1 石墨烯的基本结构 011

1.2.2 石墨烯的 TEM 表征结果 012

1.2.3 石墨烯的 STM 表征结果 013

1.3 石墨烯的电子能带结构 014

1.3.1 石墨烯的紧束缚近似理论 014

1.3.2 石墨烯的 ARPES表征结果 016

1.3.3 石墨烯的 STS表征结果 016

1.4 本章小结 017

第 2 章石墨烯的电学性质 019

2.1 石墨烯的超高载流子迁移率 021

2.1.1 石墨烯迁移率的测量方法 021

2.1.2 石墨烯中电子传输及散射 023

2.1.3 石墨烯的迁移率 023

2.2 量子霍尔效应 031

2.2.1 霍尔效应和传统量子霍尔效应 031

2.2.2 单层石墨烯中的半整数量子霍尔效应 034

2.2.3 双层石墨烯中的反常量子霍尔效应 037

2.2.4 石墨烯中的分数量子霍尔效应 038

2.3 Klein隧穿 041

2.4 本章小结 043

第 3 章石墨烯的光学性质 045

3.1 石墨烯的光吸收 047

3.2 石墨烯的非线性光学性质 050

3.3 石墨烯表面等离激元 055

3.3.1 石墨烯表面等离激元的基本原理与性质 056

3.3.2 石墨烯表面等离激元的观测 059

3.3.3 石墨烯表面等离激元的应用 062

3.4 本章小结 064

第 4 章石墨烯的热学性质 067

4.1 石墨烯的声子色散关系 069

4.2 石墨烯的拉曼光谱 072

4.3 石墨烯热容 078

4.3.1 杜隆珀替定律 078

4.3.2 二维晶格德拜模型 078

4.4 石墨烯热膨胀 081

4.5 石墨烯热导 083

4.6 石墨烯热管理 086

4.7 本章小结 094

第 5 章石墨烯的力学性质 095

5.1 石墨烯的力学特性 097

5.1.1 石墨烯的不平整性和热力学稳定性 097

5.1.2 石墨烯的杨氏模量 098

5.1.3 石墨烯的位错和晶界 100

5.1.4 提高石墨烯的力学性能 102

5.2 石墨烯的应变 103

5.2.1 应变对石墨烯带隙的影响 103

5.2.2 应变增强石墨烯中电子声子耦合 105

5.2.3 应力调控石墨烯表面杂质原子的自组装 106

5.3 石墨烯的摩擦 108

5.4 本章小结 111

第 6 章石墨烯的化学性质 113

6.1 石墨烯的不可穿透性 115

6.1.1 石墨烯在海水淡化领域的应用 115

6.1.2 石墨烯在处理原油泄漏领域的应用 117

6.1.3 石墨烯在 DNA 领域的应用 119

6.2 石墨烯的化学惰性 121

6.3 石墨烯基的催化特性 125

6.3.1 早期的发展和近期的进展 126

6.3.2 通过掺杂提高催化活性 128

6.3.3 通过分子复合提高催化活性 128

6.3.4 通过控制三维架构提高催化活性 129

6.4 本章小结 130

第 7 章石墨烯的磁学（自旋）性质 131

7.1 石墨烯与磁学简述 133

7.1.1 磁学概述 133

7.1.2 磁性 134

7.1.3 磁性分类 134

7.2 在石墨烯中引入磁性的方法 137

7.2.1 点缺陷引入磁性 137

7.2.2 线缺陷对磁性的影响 139

7.2.3 近邻效应引入磁性 139

7.2.4 原子吸附引入磁性 140

7.3 探测石墨烯中的磁性 142

7.4 石墨烯中的热电自旋电压 144

7.5 本章小结 145

第 8 章石墨烯的带隙 147

8.1 破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 150

8.1.1 通过引入掺杂打开带隙 150

8.1.2 通过吸附原子打开带隙 150

8.1.3 通过引入周期性缺陷打开带隙 152

8.1.4 通过引入限制打开带隙 154

8.1.5 通过其他化学处理打开带隙 155

8.2 不破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 155

8.2.1 通过加外加电场打开带隙 156

8.2.2 通过衬底影响打开带隙 157

8.2.3 通过衬底形成摩尔条纹(MoirPattern)打开带隙 158

8.2.4 通过自旋轨道耦合效应打开带隙 160

8.2.5 通过外加应力打开带隙 161

8.2.6 通过电子多体相互作用效应打开带隙 162

8.3 本章小结 162

第 9 章石墨烯电学可调性质 163

9.1 石墨烯的基本电学和光学特性 165

9.2 石墨烯导电性调节 168

9.2.1 石墨烯费米能级的调节 169

9.2.2 石墨烯带隙的调节 172

9.3 石墨烯 pn结和石墨烯晶体管 174

9.3.1 石墨烯 pn结 174

9.3.2 石墨烯晶体管 183

9.4 石墨烯的电光调制 187

9.5 石墨烯的光电探测 196

9.6 石墨烯的光发射 203

9.7 本章小结 204

第 10 章石墨烯异质结构 207

10.1 石墨烯垂直异质结 210

10.1.1 石墨烯/氮化硼异质结 210

10.1.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 214

10.1.3 石墨烯/其他二维材料 218

10.1.4 石墨烯/一维、零维材料异质结 219

10.2 石墨烯面内异质结 220

10.2.1 石墨烯/氮化硼异质结 220

10.2.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 221

10.3 本章小结 222

第 11 章石墨烯复合结构 225

11.1 石墨烯的原子掺杂 227

11.1.1 氮掺杂石墨烯 227

11.1.2 硼掺杂石墨烯 229

11.1.3 硼氮共掺杂石墨烯 232

11.1.4 其他元素掺杂石墨烯 236

11.2 石墨烯的化学修饰 237

11.2.1 氧化石墨烯 237

11.2.2 石墨烯的氢化 239

11.2.3 石墨烯的氟化 244

11.2.4 其他石墨烯表面功能化 246

11.2.5 石墨烯表面吸附 249

11.3 本章小结 252

参考文献 253

索引 265
内容简介:
本书详细介绍了石墨烯的结构与基本性质,对石墨烯的发展历史、电学性质、光学性质、热学性质、力学性质、化学性质、磁学性质、带隙、异质结、复合结构及电学可调性等各个方面进行了介绍。

本书可作为高等学校材料相关专业本科高年级学生、研究生的学习用书,以及教师、科技工作者和企业专业技术人员的参考书,尤其对从事石墨烯材料研究的科研人员将具有很好的指导意义。
作者简介:
刘开辉，北京大学特聘研究员，国家优秀青年科学基金获得者，北京市杰青基金获得者。2004年本科毕业于北京师范大学物理系。2009年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。2009年至2014年在美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后工作。2014年被聘为北京大学物理学院研究员，博士生导师。从事界面调控二维材料生长动力学和物性的研究，特别关注发展全新科学技术手段以解决新的科学问题。发展了单个低维材料单元水平的纳米光谱学、原位透射电镜、化学气相沉积结合技术，在理解单个低维材料的生长、结构和性质的直接对应关系，揭露低维凝聚态物理中的新颖规律和材料生长机理中开展了系列工作，在二维单晶材料超快生长设计、米级单晶薄膜材料制造方法、表界面耦合光谱学研究等方向取得了多项研究成果。
目录:
第 1 章石墨烯的结构及其发现历史 001

1.1 石墨烯的发现历史 003

1.1.1 二维材料的热力学不稳定性 004

1.1.2 从薄层石墨到石墨烯的发现 005

1.1.3 石墨烯引起的研究热潮 007

1.2 石墨烯的晶体学结构 011

1.2.1 石墨烯的基本结构 011

1.2.2 石墨烯的 TEM 表征结果 012

1.2.3 石墨烯的 STM 表征结果 013

1.3 石墨烯的电子能带结构 014

1.3.1 石墨烯的紧束缚近似理论 014

1.3.2 石墨烯的 ARPES表征结果 016

1.3.3 石墨烯的 STS表征结果 016

1.4 本章小结 017

第 2 章石墨烯的电学性质 019

2.1 石墨烯的超高载流子迁移率 021

2.1.1 石墨烯迁移率的测量方法 021

2.1.2 石墨烯中电子传输及散射 023

2.1.3 石墨烯的迁移率 023

2.2 量子霍尔效应 031

2.2.1 霍尔效应和传统量子霍尔效应 031

2.2.2 单层石墨烯中的半整数量子霍尔效应 034

2.2.3 双层石墨烯中的反常量子霍尔效应 037

2.2.4 石墨烯中的分数量子霍尔效应 038

2.3 Klein隧穿 041

2.4 本章小结 043

第 3 章石墨烯的光学性质 045

3.1 石墨烯的光吸收 047

3.2 石墨烯的非线性光学性质 050

3.3 石墨烯表面等离激元 055

3.3.1 石墨烯表面等离激元的基本原理与性质 056

3.3.2 石墨烯表面等离激元的观测 059

3.3.3 石墨烯表面等离激元的应用 062

3.4 本章小结 064

第 4 章石墨烯的热学性质 067

4.1 石墨烯的声子色散关系 069

4.2 石墨烯的拉曼光谱 072

4.3 石墨烯热容 078

4.3.1 杜隆珀替定律 078

4.3.2 二维晶格德拜模型 078

4.4 石墨烯热膨胀 081

4.5 石墨烯热导 083

4.6 石墨烯热管理 086

4.7 本章小结 094

第 5 章石墨烯的力学性质 095

5.1 石墨烯的力学特性 097

5.1.1 石墨烯的不平整性和热力学稳定性 097

5.1.2 石墨烯的杨氏模量 098

5.1.3 石墨烯的位错和晶界 100

5.1.4 提高石墨烯的力学性能 102

5.2 石墨烯的应变 103

5.2.1 应变对石墨烯带隙的影响 103

5.2.2 应变增强石墨烯中电子声子耦合 105

5.2.3 应力调控石墨烯表面杂质原子的自组装 106

5.3 石墨烯的摩擦 108

5.4 本章小结 111

第 6 章石墨烯的化学性质 113

6.1 石墨烯的不可穿透性 115

6.1.1 石墨烯在海水淡化领域的应用 115

6.1.2 石墨烯在处理原油泄漏领域的应用 117

6.1.3 石墨烯在 DNA 领域的应用 119

6.2 石墨烯的化学惰性 121

6.3 石墨烯基的催化特性 125

6.3.1 早期的发展和近期的进展 126

6.3.2 通过掺杂提高催化活性 128

6.3.3 通过分子复合提高催化活性 128

6.3.4 通过控制三维架构提高催化活性 129

6.4 本章小结 130

第 7 章石墨烯的磁学（自旋）性质 131

7.1 石墨烯与磁学简述 133

7.1.1 磁学概述 133

7.1.2 磁性 134

7.1.3 磁性分类 134

7.2 在石墨烯中引入磁性的方法 137

7.2.1 点缺陷引入磁性 137

7.2.2 线缺陷对磁性的影响 139

7.2.3 近邻效应引入磁性 139

7.2.4 原子吸附引入磁性 140

7.3 探测石墨烯中的磁性 142

7.4 石墨烯中的热电自旋电压 144

7.5 本章小结 145

第 8 章石墨烯的带隙 147

8.1 破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 150

8.1.1 通过引入掺杂打开带隙 150

8.1.2 通过吸附原子打开带隙 150

8.1.3 通过引入周期性缺陷打开带隙 152

8.1.4 通过引入限制打开带隙 154

8.1.5 通过其他化学处理打开带隙 155

8.2 不破坏石墨烯的晶格或化学结构打开带隙 155

8.2.1 通过加外加电场打开带隙 156

8.2.2 通过衬底影响打开带隙 157

8.2.3 通过衬底形成摩尔条纹(MoirPattern)打开带隙 158

8.2.4 通过自旋轨道耦合效应打开带隙 160

8.2.5 通过外加应力打开带隙 161

8.2.6 通过电子多体相互作用效应打开带隙 162

8.3 本章小结 162

第 9 章石墨烯电学可调性质 163

9.1 石墨烯的基本电学和光学特性 165

9.2 石墨烯导电性调节 168

9.2.1 石墨烯费米能级的调节 169

9.2.2 石墨烯带隙的调节 172

9.3 石墨烯 pn结和石墨烯晶体管 174

9.3.1 石墨烯 pn结 174

9.3.2 石墨烯晶体管 183

9.4 石墨烯的电光调制 187

9.5 石墨烯的光电探测 196

9.6 石墨烯的光发射 203

9.7 本章小结 204

第 10 章石墨烯异质结构 207

10.1 石墨烯垂直异质结 210

10.1.1 石墨烯/氮化硼异质结 210

10.1.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 214

10.1.3 石墨烯/其他二维材料 218

10.1.4 石墨烯/一维、零维材料异质结 219

10.2 石墨烯面内异质结 220

10.2.1 石墨烯/氮化硼异质结 220

10.2.2 石墨烯/过渡金属硫族化合物异质结 221

10.3 本章小结 222

第 11 章石墨烯复合结构 225

11.1 石墨烯的原子掺杂 227

11.1.1 氮掺杂石墨烯 227

11.1.2 硼掺杂石墨烯 229

11.1.3 硼氮共掺杂石墨烯 232

11.1.4 其他元素掺杂石墨烯 236

11.2 石墨烯的化学修饰 237

11.2.1 氧化石墨烯 237

11.2.2 石墨烯的氢化 239

11.2.3 石墨烯的氟化 244

11.2.4 其他石墨烯表面功能化 246

11.2.5 石墨烯表面吸附 249

11.3 本章小结 252

参考文献 253

索引 265

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