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彭慧胜 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030466822

商品编码：29775437577

包装：圆脊精装

出版时间：2016-03-01

基本信息

书名：新型纤维状电子材料与器件

定价：118.00元

作者：彭慧胜

出版社：科学出版社

出版日期：2016-03-01

ISBN：9787030466822

字数：

页码：

版次：1

装帧：圆脊精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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《新型纤维状电子材料与器件》可作为化学、物理、材料、能源、生物、医学等相关专业的教师、博士后、研究生和本科生的参考书，也可供有志于推动柔性电子器件和可穿戴设备发展的工程技术人员参考使用。

内容提要

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《新型纤维状电子材料与器件》重点介绍了纤维状的有机太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、光电转换与储能集成器件以及聚合物发光电化学池。与板状和块状的电子器件相比，这些纤维状的电子器件体积更小、质量更轻，可三维扭曲变形，并可以像化学纤维那样被进一步编成织物，成为多学科交叉研究的一个重要发展方向。

目录

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目录
前言
章绪论1
1.1能量转换和储存器件的发展1
1.1.1能量转换1
1.1.2能量储存1
1.2传统平面状能源器件面临的挑战2
1.3纤维状能源器件的兴起3
1.3.1纤维状能量转换器件3
1.3.2纤维状能量储存器件3
1.3.3纤维状集成器件4
1.4纤维状能源器件的**进展4
参考文献5
第2章导电纤维7
2.1引言7
2.2金属丝8
2.2.1钛丝8
2.2.2不锈钢丝10
2.2.3其他金属丝10
2.3碳纳米管纤维11
2.3.1制备方法11
2.3.2可纺碳纳米管阵列15
2.4石墨烯纤维23
2.4.1石墨烯的合成23
2.4.2石墨烯纤维的制备25
2.4.3石墨烯纤维的性能26
2.4.4复合纤维27
2.5碳纤维和高分子纤维27
2.5.1碳纤维27
2.5.2高分子纤维27
2.6总结28
参考文献29
第3章纤维状染料敏化太阳能电池33
3.1染料敏化太阳能电池概述33
3.1.1热力学原理34
3.1.2动力学过程37
3.1.3材料41
3.1.4表征43
3.1.5小结43
3.2纤维状染料敏化太阳能电池概述43
3.2.1金属电极44
3.2.2非金属电极46
3.3缠绕结构的纤维状染料敏化太阳能电池46
3.3.1工作电极47
3.3.2对电极52
3.3.3电解质57
3.4同轴结构的纤维状染料敏化太阳能电池58
3.5纤维状染料敏化太阳能电池的功能化60
3.6展望63
参考文献64
第4章纤维状聚合物太阳能电池67
4.1聚合物太阳能电池概述67
4.1.1工作原理67
4.1.2器件结构69
4.1.3材料70
4.1.4表征72
4.1.5总结73
4.2纤维状聚合物太阳能电池概述73
4.2.1缠绕结构的纤维状聚合物太阳能电池73
4.2.2同轴结构的纤维状聚合物太阳能电池74
4.3基于碳纳米管的纤维状聚合物太阳能电池76
4.4展望81
参考文献81
第5章纤维状钙钛矿太阳能电池83
5.1钙钛矿太阳能电池概述83
5.1.1工作原理84
5.1.2器件结构86
5.1.3材料88
5.1.4小结89
5.2柔性钙钛矿太阳能电池89
5.3纤维状的钙钛矿太阳能电池91
5.4可拉伸纤维状钙钛矿太阳能电池93
5.5总结与展望97
参考文献.97
第6章纤维状超级电容器99
6.1超级电容器概述99
6.1.1储能原理100
6.1.2电极材料102
6.1.3纤维状超级电容器105
6.2缠绕结构的纤维状超级电容器105
6.2.1概述105
6.2.2碳纳米管纤维/钛丝复合超级电容器107
6.2.3碳纳米管纤维/导电高分子复合纤维107
6.2.4碳纳米管复合纤维108
6.2.5石墨烯纤维108
6.3同轴纤维状超级电容器109
6.3.1结构110
6.3.2制备111
6.3.3同轴结构纤维状超级电容器的性能112
6.4多功能纤维状超级电容器115
6.4.1可拉伸的纤维状超级电容器115
6.4.2智能变色的纤维状超级电容器117
参考文献119
第7章纤维状锂离子电池121
7.1锂离子电池概述121
7.1.1基本原理122
7.1.2正极124
7.1.3负极125
7.1.4电解质126
7.2柔性锂离子电池127
7.2.1平面状柔性锂离子电池127
7.2.2可拉伸锂离子电池128
7.2.3电缆状的锂离子电池129
7.3纤维状的锂离子电池130
7.3.1纤维状的T/MnO2正极131
7.3.2纤维状T/Si负极133
7.3.3纤维状LiMn2O4-Si电池136
7.3.4纤维状的LiMn2O4-Li4Ti5O12电池139
7.4展望144
参考文献145
第8章纤维状集成器件147
8.1集成器件概述147
8.1.1一体化器件147
8.1.2组装器件149
8.1.3材料和表征151
8.1.4小结151
8.2纤维状集成器件概述151
8.3染料敏化太阳能电池和超级电容器的集成器件152
8.3.1同轴结构的集成器件152
8.3.2缠绕结构的集成器件155
8.4聚合物太阳能电池和超级电容器集成器件157
8.5可拉伸纤维状集成器件158
8.6展望159
参考文献160
第9章纤维状发光器件162
9.1有机发光器件概述162
9.2有机发光二极管162
9.2.1OLED概述162
9.2.2工作机理163
9.2.3器件结构165
9.2.4材料166
9.3聚合物发光电化学池171
9.3.1PLEC概述与研究进展171
9.3.2工作原理与器件结构171
9.3.3材料174
9.3.4PLEC性能表征177
9.4纤维状发光器件179
9.4.1概述179
9.4.2纤维状聚合物发光电化学池179
9.5展望185
参考文献186
0章能源织物189
10.1能源织物概述189
10.2织物状能源器件的制备190
10.2.1织物状光伏器件190
10.2.2织物状超级电容器196
10.3展望201
参考文献201
1章总结与展望202
11.1优势202
11.2应用203
11.3挑战和展望204
索引206
《半导体科学与技术丛书》已出版书目207
彩图

作者介绍

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文摘

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序言

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《超越硅基：未来电子学的材料革命》 引言 我们正身处一个信息爆炸的时代，电子设备以前所未有的速度渗透到生活的方方面面。从智能手机到高性能计算机，再到新兴的物联网和可穿戴设备，电子技术的进步是驱动社会发展的核心动力。然而，传统的硅基电子材料在性能提升、功耗控制以及应用场景拓展等方面，正逐渐显露出其固有的局限性。为了突破这些瓶颈，科学界和工程界一直在不懈探索和开发新型的电子材料，它们将重塑我们对电子器件的认知，开启更广阔的未来应用前景。 《超越硅基：未来电子学的材料革命》这本书，并非聚焦于某一特定类型的材料，而是旨在为读者勾勒出一幅由前沿电子材料构成的宏伟画卷。我们将穿越材料科学的最前沿，探索那些颠覆传统、引领未来的新型电子材料的惊人潜力。本书将深入浅出地阐述这些材料的独特物理和化学性质，它们是如何克服硅基材料的固有缺陷，以及它们在构建下一代电子器件中的关键作用。 第一章：硅基时代的曙光与阴影 在深入探讨未来之前，有必要回顾一下我们赖以生存的基石——硅基电子材料。本章将简要回顾半导体技术，特别是硅在集成电路发展中的辉煌历程。我们将认识到硅的卓越之处，例如其半导体特性、易于加工以及成熟的制造工艺。然而，随着摩尔定律的逼近极限，硅基材料在小型化、高速化和低功耗方面的挑战日益严峻。漏电流的增加、散热问题以及材料本身的物理极限，都预示着我们必须寻求新的解决方案。本章将为后续章节中介绍的新型材料提供一个重要的对比和参照。 第二章：打开维度之门——二维材料的电子学奇迹 石墨烯，这个曾经“横空出世”的单原子层材料，彻底打开了二维材料在电子学领域的大门。本章将重点介绍石墨烯及其衍生物，深入剖析其优异的导电性、热导性和机械强度，以及它们在高频晶体管、柔性显示器和透明导电薄膜等领域的应用潜力。 除了石墨烯，我们还将目光投向另一类同样具有革命性意义的二维材料——过渡金属硫化物（TMDs），如二硫化钼（MoS2）、二硒化钨（WSe2）等。本章将详细阐述TMDs的独特电子带隙特性，这使得它们能够构建高性能的场效应晶体管，甚至在逻辑运算方面媲美甚至超越硅。我们将探讨TMDs在低功耗逻辑电路、光电子器件以及传感器等领域的最新研究进展和未来发展方向。 此外，本章还将涉及其他的二维材料家族，如黑磷、MXenes 等，介绍它们各自独特的电子学特性和潜在的应用场景。我们将理解二维材料为何能够突破传统三维材料的限制，为电子器件的 miniaturization 和性能提升开辟新的道路。 第三章：量子点的迷人世界——尺寸调控下的电子与光学之舞 量子点（Quantum Dots）是一类尺寸在纳米尺度（通常为2-10纳米）的半导体纳米晶体。它们最显著的特点是量子尺寸效应，即当材料尺寸小于其激子玻尔半径时，材料的光学和电子学性质会随尺寸发生显著变化。本章将深入探讨量子点的制备方法、尺寸与电子能级之间的关系，以及它们如何通过精确的尺寸调控来获得特定的发光颜色和电子传输特性。 我们将详细介绍量子点在发光二极管（LEDs）领域的应用，例如量子点LED（QLED）如何实现更广阔的色域、更高的亮度以及更低的能耗，从而彻底改变显示技术。同时，本章也将关注量子点在太阳能电池中的潜力，它们能够吸收更宽光谱范围的光，提高光电转换效率。此外，量子点在生物成像、荧光标记、激光器以及量子计算等新兴领域的应用也将被一一呈现。 第四章：有机分子的电子乐章——从软电子到生物电子的跨界融合 与传统的无机半导体材料不同，有机电子材料具有结构多样、可加工性强、柔韧性好等优势，为实现柔性、可穿戴电子设备提供了可能。本章将聚焦于有机半导体材料，包括小分子有机半导体和聚合物有机半导体。 我们将深入了解有机半导体材料的分子结构与其电子性能之间的关系，例如共轭体系的长度、杂原子的引入等如何影响材料的载流子迁移率和能级结构。本章将详细介绍有机薄膜晶体管（OTFTs）、有机发光二极管（OLEDs）和有机太阳能电池（OSCs）的工作原理及其在柔性显示、电子标签、低成本光伏等领域的广泛应用。 更进一步，本章将探讨有机电子材料在生物电子学领域的革命性应用。例如，通过与生物分子结合，有机半导体材料可以实现对生物信号的精确检测，开发出用于疾病诊断、神经接口和生物传感器等创新的医疗和健康监测设备。我们将看到有机材料如何实现电子学与生命科学的深度融合。 第五章：金属有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs）——构建多孔电子材料的新思路 金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）是近年来迅速发展的新型多孔材料。它们以其高度可控的结构、巨大的比表面积和丰富的官能团，为电子材料的设计和应用提供了全新的视角。本章将深入介绍MOFs和COFs的构筑单元、自组装机制以及其独特的晶体结构。 我们将重点关注如何通过调控MOFs和COFs的化学组成和孔道结构，赋予它们优异的导电性、催化活性和传感性能。本章将探讨MOFs和COFs在气体吸附与分离、催化反应、储能（如超级电容器和电池电极材料）以及传感器件中的最新应用进展。我们还将展望如何利用这些材料设计具有特定功能的电子器件，例如气体传感器、电化学传感器以及用于环境保护和能源领域的关键材料。 第六章：新型电子材料的挑战与机遇——通往未来之路 尽管新型电子材料展现出了巨大的潜力，但在实际应用中仍然面临诸多挑战。本章将对前面介绍的各类材料进行总结和梳理，并深入探讨它们在材料稳定性、制备成本、器件集成度、环境友好性以及大规模生产等方面的普遍挑战。 同时，本章也将描绘未来电子材料发展的宏伟蓝图。我们将探讨跨材料学科的融合趋势，例如二维材料与量子点的结合、有机材料与MOFs/COFs的协同设计等，以期实现性能的指数级提升。此外，本章还将展望智能材料、自修复材料以及用于量子计算的新型材料等更具前瞻性的研究方向。 结论 《超越硅基：未来电子学的材料革命》一书，旨在为读者提供一个全面、深入的视角，去理解和认识那些正在驱动电子技术革命的新型材料。从微观的量子特性到宏观的应用场景，我们将看到这些材料如何突破传统界限，为构建更强大、更智能、更绿色的未来电子世界奠定坚实的基础。本书不仅适合材料科学、物理、化学以及电子工程领域的学生和研究人员阅读，也为对前沿科技充满好奇心的普通读者提供了一扇了解未来电子学发展的窗口。

评分☆☆☆☆☆

我是一位在读研究生，目前正在为毕业论文寻找一个有创新性的研究方向。过去几周，我一直在海量的学术论文中摸索，感到非常迷茫，直到我拿到了这本教材。这本书的结构安排简直是教科书级别的优秀范本。它不像很多专著那样直接从最前沿的成果讲起，而是构建了一个坚实的“知识阶梯”。首先是基础概念的夯实，然后是不同材料家族的系统分类和介绍，最后才是复杂器件的集成与挑战。这种循序渐进的组织方式，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我尤其欣赏其中关于“可靠性与寿命预测”那一章节的处理。通常，这部分内容会被一笔带过，但本书却花了大量篇幅讨论了加速老化测试、环境应力筛选（ESS）等关键环节，甚至还涉及到了相关的行业标准和法规要求。这让这本书的价值远远超出了纯粹的学术探讨，它真正做到了连接实验室研究与工业化生产之间的桥梁作用，为我的研究选题提供了更具现实意义的指导方向。

评分☆☆☆☆☆

我最近的工作重点转向了柔性电子学方向，急需一本能够系统梳理当前领域内最新进展的参考书。市面上很多相关书籍要么过于侧重某一个单一的材料体系，要么就是时间点太旧，跟不上技术迭代的速度。这本书的出现，可以说是恰逢其时。它的覆盖面之广，确实令人印象深刻。从高分子基底的优化到新型导电油墨的配方设计，再到集成电路的柔性封装技术，几乎涵盖了从材料制备到器件制造的全流程关键节点。我特别欣赏书中对“性能-结构”关联性的深入探讨。例如，在讨论某类有机半导体材料的电荷传输机制时，作者不仅给出了理论模型，还配上了大量的透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）图谱分析，清晰地展示了分子堆积方式如何直接影响载流子的迁移率。这种微观层面的解析，对于我们这些需要进行材料结构调控的工程师来说，提供了宝贵的“调谐旋钮”。毫不夸张地说，这本书已经成为了我实验方案制定过程中不可或缺的“工具箱”，时不时就要翻阅一下，查找特定的参数范围或制备条件。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计很吸引眼球，深邃的蓝色背景上交织着一些闪烁的光点，让人联想到宇宙星空或是微观层面的复杂结构。装帧质量也相当不错，纸张的质感厚实而平滑，拿在手里很有分量。我本来是抱着一种略带怀疑的心态开始阅读的，因为这类前沿领域的书籍，往往在理论深度和实际应用之间难以找到完美的平衡点。然而，翻开第一章，作者清晰的逻辑结构和深入浅出的叙述方式立刻抓住了我的注意力。他们没有陷入过度晦涩的数学推导，而是巧妙地将复杂的物理化学原理融入到对材料宏观性能的讨论中，使得即便是初次接触这个领域的读者也能快速建立起一个基本的认知框架。尤其值得称赞的是，书中对不同实验表征手段的介绍非常详尽且富有洞察力，不再是简单的罗列公式，而是结合实际案例阐述了如何通过这些手段来“看见”材料内部的微观变化，这对于科研工作者来说，无疑是提供了极具价值的实践指导。整体而言，这本书的开篇展现出了一种严谨又不失亲和力的学术风范，让人对后续内容的期待值大大提高。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表质量堪称业界典范。在很多技术书籍中，图表往往是扫描件或者低分辨率的插图，晦涩难懂，甚至会误导读者。但是在这本书里，所有的示意图都经过了精心设计，线条流畅，配色专业，即便是一些复杂的能带结构图或器件截面图，也能一目了然。例如，书中关于介电常数各向异性特性的那几张三维空间图，我研究了很久才完全理解，而这本书里的图示，三言两语加上那张精准的图，立刻就将那个抽象的概念具象化了。更重要的是，作者在引用文献方面显得十分审慎和权威，他并非堆砌最新的、热门的文献，而是选择那些具有里程碑意义和扎实基础的经典工作进行深入剖析，同时又不乏对近两年突破性进展的敏锐捕捉。这保证了内容的“站得住脚”和“面向未来”。阅读体验上，字体选择大小适中，行距合理，长时间阅读下来，眼睛的疲劳感明显低于阅读其他同类书籍。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，我对当前电子材料领域的一些“炒作”现象感到厌倦，很多所谓的创新材料要么实验室数据水分太大，要么成本高到无法商业化。因此，当我拿到这本书时，我更多是想看看它如何处理“工程化”和“经济性”这两个棘手的问题。这本书的第四篇，专门探讨了规模化制备工艺中的挑战，比如薄膜的均匀性控制、批次间的一致性问题以及原材料的成本效益分析，这部分内容显得格外实在和接地气。作者没有回避这些现实中的困难，而是提供了多种可行的解决方案和折衷策略。比如，在比较溶液法和气相沉积法时，书中不仅对比了它们的物理特性优势，还直接给出了不同设备投入和每平方米产出的粗略成本估算模型，这对于进行项目可行性分析的工程师来说，是无价的信息。这本书的价值在于，它没有停留在“能做出来”的阶段，而是深入到了“如何用得好、用得起”的层面上，这正是许多前沿技术走向成熟所必需的视角转换。