碳電子學(xué)

前言

　　在新興前沿領(lǐng)域的快速發(fā)展過程中，及時(shí)整理、歸納、出版前沿科學(xué)的系統(tǒng)性專著，一直是發(fā)達(dá)國(guó)家在國(guó)家層面上推動(dòng)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的重要手段，是一個(gè)國(guó)家保持科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)先權(quán)和引領(lǐng)作用的重要策略之一。　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，離不開知識(shí)的傳播：我們從事科學(xué)研究，得到了“數(shù)據(jù)”（論文），這只是“信息”。將相關(guān)的大量信息進(jìn)行整理、分析、形成體系并實(shí)踐，才變成“知識(shí)”。信息和知識(shí)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(yīng)用”，被更有效地應(yīng)用，被更準(zhǔn)確地應(yīng)用，知識(shí)才能產(chǎn)生更大的社會(huì)效益，國(guó)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(shí)－傳播－應(yīng)用－效益－發(fā)展，這是科學(xué)技術(shù)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的基本流程。其中，知識(shí)的傳播，無疑具有橋梁的作用?！　≌麄€(gè)20世紀(jì)，我國(guó)在及時(shí)地編輯、歸納、出版各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)前沿的系列專著方面，已經(jīng)大大地落后于科技發(fā)達(dá)國(guó)家，其中的原因有許多，我認(rèn)為更主要的是緣于科學(xué)文化的習(xí)慣不同：中國(guó)科學(xué)家不習(xí)慣去花時(shí)間整理和梳理自己所從事的研究領(lǐng)域的知識(shí)，將其變成具有系統(tǒng)性的知識(shí)結(jié)構(gòu)。所以，很多學(xué)科領(lǐng)域的第一本原創(chuàng)性“教科書”，大都來自歐美國(guó)家。當(dāng)然，真正優(yōu)秀的著作不僅需要花時(shí)間和精力，更重要的是要有自己的學(xué)術(shù)思想和對(duì)這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的充分把握和高度概況的學(xué)術(shù)能力?！　〖{米科技已經(jīng)成為21世紀(jì)前沿科學(xué)技術(shù)的代表領(lǐng)域之一。其對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所產(chǎn)生的潛在影響，已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）會(huì)刊在2006年12月評(píng)論：“現(xiàn)在的發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)家?！币虼?，世界各國(guó)，尤其是科技強(qiáng)國(guó)都將發(fā)展納米科技作為國(guó)家戰(zhàn)略?！　∨d起于20世紀(jì)后期的納米科技，給我國(guó)提供了與科技發(fā)達(dá)國(guó)家同步發(fā)展的良好機(jī)遇。目前，各國(guó)政府都在加大力度出版納米科技領(lǐng)域的教材、專著以及科普讀物。在我國(guó)，納米科技領(lǐng)域尚沒有一套能夠系統(tǒng)、科學(xué)地展現(xiàn)納米科學(xué)技術(shù)各個(gè)方面前沿進(jìn)展的系統(tǒng)性專著。因此，國(guó)家納米科學(xué)中心與科學(xué)出版社共同發(fā)起并組織出版《納米科學(xué)技術(shù)大系》，力求體現(xiàn)本領(lǐng)域出版讀物的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和系統(tǒng)性，全面科學(xué)地闡述納米科學(xué)技術(shù)前沿、基礎(chǔ)和應(yīng)用。

內(nèi)容概要

本書主要探討作為微電子學(xué)的下一代——納電子學(xué)，相應(yīng)于微電子器件的主流材料硅，碳被認(rèn)為是下一代電子器件材料，用其構(gòu)成的器件和電路將是未來智能信息時(shí)代的基礎(chǔ)。作為第一代電子學(xué)，其中最主要的代表是電信號(hào)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(gòu)成復(fù)雜電路。本書主要討論納米尺度的碳結(jié)構(gòu)，以及用其構(gòu)成的器件，包括碳納米材料的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)，碳納米球、碳納米管和石墨烯的三極管和電路，以及場(chǎng)發(fā)射電子源等。突出了相位相干性，討論相位電子學(xué)特征，進(jìn)而涉及非費(fèi)米液體行為和關(guān)聯(lián)電子學(xué)等有關(guān)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(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的科研人員及研究生、本科生閱讀參考。

作者簡(jiǎn)介

薛增泉  教授、博士生導(dǎo)師。1963年畢業(yè)于北京大學(xué)無線電電子學(xué)系，后留校任教，先后從事真空電子學(xué)、陰極電子學(xué)、表面科學(xué)技術(shù)，薄膜電子學(xué)、光電功能薄膜、納電子學(xué)、分子電子學(xué)等方面的教學(xué)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(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》、《納米科技探索》、《納米電子學(xué)》、《分子電子學(xué)》等。

書籍目錄

《納米科學(xué)技術(shù)大系》序前言緒論  §1  科技發(fā)展的機(jī)遇  §2  納米電子學(xué)  §3  摩爾定律之外  §4  NBIC匯聚技術(shù)  §5  碳時(shí)代  參考文獻(xiàn)第1章  碳的異構(gòu)體  §1  碳的軌道雜化  §2  碳的異構(gòu)體  參考文獻(xiàn)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(xiàn)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(xué)氣相沉積法  參考文獻(xiàn)第4章  碳納米管的原子結(jié)構(gòu)  §1  碳納米管結(jié)構(gòu)的分類  §2  單胞與Brillouin區(qū)  參考文獻(xiàn)第5章  碳納米管的電子結(jié)構(gòu)  §1  單電子色散關(guān)系  §2  態(tài)密度和能隙  §3  Peierls相變  參考文獻(xiàn)第6章  理想的納米電子材料  §1  碳納米管的電學(xué)特性  §2  未來的主流電子材料  §3  碳管的電導(dǎo)率和遷移率  參考文獻(xiàn)第7章  碳納米管的傳輸特性  §1  在一維線中的電子輸運(yùn)  §2  三種傳輸特征  §3  彈道導(dǎo)體  §4  經(jīng)典輸運(yùn)  §5  局域化  §6  普適電導(dǎo)漲落  §7  碳納米管的電子傳輸  §8  碳納米管電導(dǎo)與溫度的關(guān)系  參考文獻(xiàn)第8章  碳納米管中電子的彈道輸運(yùn)  §1  納米尺度彈道輸運(yùn)概念  §2  共振傳輸  §3  碳納米管的彈道輸運(yùn)  §4  碳納米管的超導(dǎo)特性  §5  尺寸對(duì)超導(dǎo)特性的影響  §6  單壁碳納米管的超導(dǎo)  §7  碳納米管的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)  §8  單壁碳納米管的超流  §9  多壁碳納米管的超流  參考文獻(xiàn)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(xiàn)第10章  電子全息  §1  全息概念  §2  全息的發(fā)展進(jìn)程  §3  電子全息  參考文獻(xiàn)第11章  碳納米管場(chǎng)發(fā)射  §1  場(chǎng)發(fā)射電子源  §2  碳納米管場(chǎng)發(fā)射陰極  §3  碳納米管的相干場(chǎng)發(fā)射  §4  碳納米管場(chǎng)發(fā)射模擬計(jì)算  §5  吸附對(duì)場(chǎng)發(fā)射的影響  §6  碳納米管場(chǎng)發(fā)射的原子像  §7  碳納米管場(chǎng)發(fā)射的穩(wěn)定問題  參考文獻(xiàn)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(chǎng)發(fā)射理論  §3  單壁碳納米管彈道場(chǎng)發(fā)射  §4  相干電子束特性檢測(cè)儀  §5  超強(qiáng)高亮度相干電子發(fā)射源  §6  beeser的可能應(yīng)用  參考文獻(xiàn)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(diào)碳納米管振蕩器  §5  碳納米管超導(dǎo)量子相干器件  參考文獻(xiàn)第14章  三極管的雙極特性  §1  場(chǎng)效應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)第16章  石墨烯  §1  石墨烯的發(fā)現(xiàn)  §2  石墨烯的結(jié)構(gòu)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(xiàn)第17章  碳納米管中的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)  §1  固體的量子統(tǒng)計(jì)模型  §2  軌道電子云  §3  量子調(diào)控  §4  在碳納米管中的電子一電子強(qiáng)作用  §5  碳納米管中的關(guān)聯(lián)效應(yīng)  參考文獻(xiàn)第18章  碳電子學(xué)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　當(dāng)今談?wù)摷{電子學(xué)發(fā)展途徑和前景時(shí)，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(shè)想當(dāng)年晶體管研究者如果不能擺脫真空電子管結(jié)構(gòu)、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(huì)發(fā)展成大規(guī)模集成電路。傳統(tǒng)知識(shí)是未來發(fā)展的基礎(chǔ)，但更多的是對(duì)新思維的禁錮。這可能嚴(yán)重地束縛了人們對(duì)納米時(shí)代科技發(fā)展前景的認(rèn)識(shí)和思考?，F(xiàn)今有些人在探索基于物理學(xué)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(diào)控功能的復(fù)雜器件，這就是本章所要討論的核心問題。物理學(xué)面臨新的發(fā)展機(jī)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(huì)從本質(zhì)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(yù)料的特征。這就是本節(jié)標(biāo)題強(qiáng)調(diào)摩爾定律之外的用意所在?！　?.量子調(diào)控　　量子力學(xué)是20世紀(jì)初在解釋黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等基礎(chǔ)上誕生的近代物理中的重要學(xué)科，其主要內(nèi)容涉及普朗克常數(shù)、光子假設(shè)、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(yùn)動(dòng)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(jì)諸多近代科學(xué)問題，成為信息時(shí)代高科技的基礎(chǔ)?！　∮昧孔恿W(xué)處理固體導(dǎo)電問題，經(jīng)歷了幾個(gè)逐步深入的過程。在金屬晶體中的電子是個(gè)多體問題，將其經(jīng)過絕熱近似、平均場(chǎng)近似、周期場(chǎng)近似等得到單電子模型，這就是費(fèi)米（Fermi）氣體，即金屬中參與共有化運(yùn)動(dòng)的電子相互間沒有作用，稱為準(zhǔn)自由電子，遵從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)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(dǎo)電問題。進(jìn)一步考慮晶體點(diǎn)陣原子核對(duì)電子的作用，作為準(zhǔn)自由電子的微擾，建立了能帶論，說明了半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)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(fèi)米液體模型。單電子模型和費(fèi)米液體模型是微電子學(xué)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，是量子力學(xué)初級(jí)應(yīng)用的結(jié)果，創(chuàng)建了20世紀(jì)人類科技發(fā)展的巨大成就。21世紀(jì)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(xué)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(xué)在納米材料、器件和凝聚態(tài)體系應(yīng)用的重要理論問題。電子自旋、軌道電子云分布有序結(jié)構(gòu)等多種參量相互耦合將呈現(xiàn)豐富的物理內(nèi)容，層出不窮的新效應(yīng)和新物態(tài)將被發(fā)現(xiàn)。量子調(diào)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(fù)雜耦合行為。通過外場(chǎng)控制各種流，是復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題，如調(diào)控電子自旋流，電場(chǎng)產(chǎn)生磁性、磁場(chǎng)引起電流，綜合場(chǎng)引起復(fù)雜流，以及復(fù)雜的磁、光、電現(xiàn)象，多種因素相互競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生強(qiáng)耦合的巨大響應(yīng)結(jié)果等。

圖書封面

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