内容简介
为有力推动我国物理学研究、加快相关学科的建设与发展,特别是展现近年来中国物理学者的研究水平和成果,北京大学出版社在国家出版基金的支持下推出了《中外物理学精品书系》,试图对以上难题进行大胆的尝试和探索。《中外物理学精品书系·引进系列11·纳米晶体:合成、性质和应用(影印版)》编委会集结了数十位来自内地和香港高校及科研院所的知名专家学者。他们都是目前该领域十分活跃的专家,确保了整套丛书的前瞻性。
《中外物理学精品书系·引进系列11·纳米晶体:合成、性质和应用(影印版)》系内容丰富,涵盖面广,可读性强,其中既有对我国传统物理学发展的梳理和总结,也有对正在蓬勃发展的物理学前沿的全面展示;既引进和介绍了世界物理学研究的发展动态,也面向国际主流领域传播中国物理的优秀专著。可以说,《中外物理学精品书系》力图完整呈现近现代世界和中国物理科学发展的全貌,是一部目前国内为数不多的兼具学术价值和阅读乐趣的经典物理丛书。
《中外物理学精品书系》另一个突出特点是,在把西方物理的精华要义“请进来”的同时,也将我国近现代物理的优秀成果“送出去”。物理学科在世界范围内的重要性不言而喻,引进和翻译世界物理的经典著作和前沿动态,可以满足当前国内物理教学和科研工作的迫切需求。另一方面,改革开放几十年来,我国的物理学研究取得了长足发展,一大批具有较高学术价值的著作相继问世。《中外物理学精品书系·引进系列11·纳米晶体:合成、性质和应用(影印版)》首次将一些中国物理学者的优秀论著以英文版的形式直接推向国际相关研究的主流领域,使世界对中国物理学的过去和现状有更多的深入了解,不仅充分展示出中国物理学研究和积累的“硬实力”,也向世界主动传播我国科技文化领域不断创新的“软实力”,对全面提升中国科学、教育和文化领域的国际形象起到重要的促进作用。
内页插图
目录
1 Basics of Nanocrystals
1.1 Introduction
1.2 Properties of Nanocrystals
1.2.1 Geometric Structure
1.2.2 Magnetic Properties of Nanocrystals
1.2.3 Electronic PrODerties
1.2.4 Optical Properties
1.2.5 Other Properties
2 Synthesis of Nanocrystals
2.1 Physical Methods
2.1.1 Inert Gas Condensation
2.1.2 Arc Discharge
2.1.3 Ion Sputtering
2.1.4 Laser Ablation
2.1.5 Pyrolysis and Other Methods
2.1.6 Spray Pyrolysis
2.2 Chemical Methods
2.2.1 Metal Nanocrystals by Reduction
2.2.2 Solvothermal Synthesis
2.2.3 Photochemical Synthesis
2.2.4 Electrochemical Synthesis
2.2.5 Nanocrystals of Semiconductors and Other Materials by Arrested Precipitation
2.2.6 Thermolysis Routes
2.2.7 Sonochemical Routes
2.2.8 Micelles and Microemulsions
2.2.9 The Liquid-Liquid Interface
2.2.1O Biological Methods
2.2.11 Hybrid Methods
2.2.12 Solvated Metal Atom Dispersion (SMAD)
2.2.13 Post-synthetic Size-Selective Processing
2.3 Nanocrystals of Different Shapes
2.3.1 Shape-Controlled Synthesis of Metal Nanocrystals
2.3.2 Shape-Controlled Synthesis of Semiconductor and Oxide Nanocrystals
2.4 Doping and Charge Injection
2.5 Tailoring the Ligand Shell
3 Programmed Assemblies
3.1 One-Dimensional Arrangements
3.2 Rings and Associated Arrangements
3.3 Two-Dimensional Arrays
3.3.1 Metal Nanocrystals
3.3.2 Semiconductor and Oxide Nanocrystals
3.3.3 Other Two-Dimensional Arrangements
3.3.4 Mechanism of Organization
3.4 Three-Dimensional Superlattices
3.5 Superclusters
3.6 Colloidal Crystals
4 Properties of Nanocrystals
4.1 Melting Point and Heat Capacity
4.2 Electronic Properties
4.2.1 Catalysis and Reactivity
4.3 Optical Properties
4.4 Magnetic Properties
5 Core-Shell Nanocrystals
5.1 Synthesis and Properties
5.1.1 Semiconductor-Semiconductor
5.1.2 Metal-Metal
5.1.3 Metal-Oxide, Semiconductor-Oxide, and Oxide-Oxide
5.2 Assemblies of Core-Shell Nanocrystals
6 Applications
6.1 Introduction
6.2 Nanocrystals as Fluorescent Tags
6.3 Nanocrystal-Based Optical Detection and Related Devices
6.4 Biomedical Applications of Oxide Nanoparticles
6.5 Optical and Electro-Optical Devices
6.6 Dip-Pen Nanolithography with Nanocrystals
6.7 Nanoelectronics and Nanoscalar Electronic Devices
6.8 Nanocomputing
References
Index
前言/序言
中外物理学精品书系·引进系列12·拓扑绝缘体 作者: [此处填写原书作者,例如:张三、李四等,此处为示例] 译者: [此处填写原书译者,此处为示例] 出版社: [此处填写原书出版社,此处为示例] --- 图书简介 一、 概述:迈入凝聚态物理学的全新领域 《拓扑绝缘体》是“中外物理学精品书系·引进系列”的第十二卷,聚焦于当代凝聚态物理学中最具颠覆性和前沿性的研究领域之一——拓扑绝缘体。本书系统性地梳理了拓扑绝缘体从理论构想到实验验证的完整脉络,深入探讨了这类奇特材料的物理本质、独特的电子结构以及在未来信息技术中的巨大潜力。 在传统的材料分类中,物质要么是导体,要么是绝缘体。然而,拓扑绝缘体打破了这一二元对立的界限,它们在内部呈现出绝缘态,但其表面或边缘却能导电。这种“表里不一”的特性并非源于材料的晶格缺陷或表面污染,而是由其内在的拓扑量子特性所决定的,这标志着材料科学进入了一个全新的时代。本书旨在为物理学、材料科学、电子工程等领域的科研人员、研究生及高年级本科生提供一部全面、深入且富有洞察力的参考著作。 二、 理论基石:拓扑不变量的深刻内涵 本书开篇即奠定了扎实的理论基础。它详细阐述了拓扑学在凝聚态物理中的应用,特别是如何使用拓扑不变量来对材料的电子态进行分类。 1. 拓扑序与能带理论的融合: 传统能带理论基于晶格对称性,而拓扑绝缘体的描述则超越了简单的对称性保护。本书阐释了如何利用布里渊区中的陈数(Chern Number)或Z2拓扑不变量来区分拓扑绝缘体与普通绝缘体。这些不变量是拓扑性质的“指纹”,在材料形变或杂质引入时保持不变,是其鲁棒性的根本来源。 2. 量子自旋霍尔效应(QSHE): 这是理解二维拓扑绝缘体的核心概念。本书详细推导了时间反演对称性保护下的量子自旋霍尔效应,解释了时间反演边界态(TRIBs)的形成机制,以及自旋-动量锁定如何确保了电流的无耗散传输。 3. 高阶拓扑与复杂体系: 随着研究的深入,本书还触及了更前沿的理论,如高阶拓扑绝缘体(HOTIs),它们在零维角点处展示出导电性,预示着更精细的拓扑分类体系的建立。 三、 实验实现与材料探索:从猜想到现实 理论的突破需要物质世界的证实。本书的中间部分聚焦于如何通过实验手段制备和表征拓扑绝缘体。 1. 铅族化合物的经典范例: 书中详尽介绍了第一代拓扑绝缘体,如Bi$_{2}$Se$_{3}$、Bi$_{2}$Te$_{3}$和Sb$_{2}$Te$_{3}$等基于五价族元素(V-VI族化合物)的系统。作者们深入分析了这些材料中狄拉克锥表面态的能带结构,以及如何通过掺杂来调控费米能级的位置,使其恰好处于体态能隙内。 2. 自旋轨道耦合的强度: 本书强调了强自旋轨道耦合(SOC)在形成拓扑非平庸态中的决定性作用。通过对比不同元素的原子序数对SOC的影响,读者可以理解材料设计的基本原则。 3. 基于二维材料的拓扑态: 随着纳米技术的发展,如何将拓扑性质引入二维材料体系成为热点。本书讨论了如何通过外加磁场(实现量子霍尔效应)或引入磁性杂质(打破时间反演对称性,实现量子反常霍尔效应)来激发二维材料的拓扑相变。 4. 实验表征技术: 为了验证拓扑性质,高精度的实验技术必不可少。本书详细介绍了角分辨光电子能谱(ARPES)在直接观测狄拉克锥表面态能带结构中的关键作用,以及扫描隧道显微镜(STM)对表面态局域态密度的成像分析。 四、 前沿应用:拓扑物理的工程化潜力 拓扑绝缘体之所以引人注目,不仅在于其基础物理学的深刻性,更在于其对未来技术可能产生的革命性影响。 1. 低能耗电子学: 表面态电子的输运受时间反演对称性保护,这意味着它们在传输过程中不易受到杂质散射导致的能量耗散,这为开发超低功耗的晶体管和互连线提供了新的路径。 2. 迈向拓扑量子计算: 这是拓扑物理最令人兴奋的应用方向。书中深入探讨了如何利用拓扑绝缘体与超导体的界面来诱导出马约拉纳零能模(Majorana Zero Modes)。这些准粒子具有非阿贝尔统计特性,被认为是实现抗干扰、高鲁棒性拓扑量子比特的理想候选者。本书对该领域的最新进展,包括如何通过应变工程或异质结构建来控制马约拉纳费米子的束缚态,进行了细致的阐述。 3. 磁电耦合效应: 拓扑绝缘体独特的电子结构使其对电场和磁场具有异常敏感的响应。本书讨论了如何利用磁性掺杂来打破时间反演对称性,从而观测到显著的磁电耦合效应,这对于开发新型传感器和电磁调制器件具有重要意义。 五、 总结与展望 《拓扑绝缘体》不仅是对过去十年研究成果的全面总结,更是一份面向未来的路线图。它以严谨的科学态度,清晰的逻辑结构,将深奥的数学物理与具体的材料实验紧密结合起来。本书旨在激发读者对凝聚态物理前沿问题的热情,并为下一代拓扑材料的设计与应用研究提供坚实的知识储备和创新的思路。阅读本书,即是把握了凝聚态物理学最激动人心的前沿脉搏。