碳基纳电子和光电子器件 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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彭练矛，张志勇，李彦，王胜 著

图书标签:

• 碳基材料
• 纳电子器件
• 光电子器件
• 电子学
• 材料科学
• 纳米技术
• 半导体
• 器件物理
• 碳材料
• 新兴技术

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030408730

商品编码：11720095

包装：精装

丛书名： 纳米科学与技术

开本：32开

出版时间：2014-06-01

用纸：胶版纸

页数：288

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：电子学专业高年级本科和物理、材料、化学等相关专业研究生

《碳基纳电子和光电子器件》可供纳米科技、电子学、光电子学、材料科学、物理学等学科的科研人员以及大专院校相关专业的师生参考阅读。

内容简介

　　《碳基纳电子和光电子器件》是一部碳基纳电子和光电子理论与器件方面的专著，主要内容是碳基纳电子学和光电子学的基础知识及北京大学研究组2006～2013年期间在这个研究领域所做的工作。《碳基纳电子和光电子器件》第1章概要介绍碳基纳电子学和光电子学；第2章简单回顾原子轨道知识；第3章介绍这些轨道的相互作用，化学键基础内容，轨道杂化，特别是s轨道和p轨道的杂化；第4章介绍s和p轨道杂化所导致的碳纳米结构，特别是石墨烯和碳纳米管的原子结构和相应电子态结构。《碳基纳电子和光电子器件》的第5章、第6章重点介绍化学法制备面向电子学应用的纳米碳结构的方法和相关表征技术，特别是基于光学方法的无损伤拉曼技术。《碳基纳电子和光电子器件》的重点是基于碳纳米结构的纳电子器件。第7章、第8章分别介绍碳纳米材料在数字电路和模拟电路中的应用。第7章重点介绍碳纳米管场效应晶体管的制备、工作原理，以及在传统数字电路中的可能应用。第8章论述碳纳米管在模拟和高频电路的应用前景。第9章集中介绍碳基纳米光电子学领域的现状和发展。

作者简介

　　彭练矛，北京大学电子学系主任、纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任、国际晶体学联合会电子晶体学委员会主席、美国《应用物理杂志》副主编、英国物理学会会士。1982年于北京大学无线电电子学系本科毕业，1988年于美国亚利桑那州立大学获博士学位。从2001年起先后3次任国家“973”计划项目和国家重大科学研究计划项目首席科学家，国家自然科学基金委员会创新研究群体负责人，中国晶体学会和中国电子显微镜学会副理事长。迄今在国际学术刊物上发表SCI收录论文300余篇，第壹作者专著1部（High—EnergyElectronDiffractionandMicroscopy，牛津大学出版社）。1994年获首届国家杰出青年科学基金资助，1998年获求是科技基金会“杰出青年学者奖”，1999年被北京大学聘为教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授。主持的“亚纳米碳管的稳定性研究”被选为2000年中国高等学校十大科技进展，入选2000年中国基础科学研究十大新闻；“定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究”项目2010年获得国家自然科学奖二等奖：”实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”项目入选2011年度“中国科学十大进展”；“高性能碳基纳米电子器件”项目获2013年度高等学校自然科学奖一等奖。2009年获“全国优秀博士学位论文指导教师”称号：2013年被评为北京大学首届“十佳导师”。

精彩书摘

《纳米科学与技术》丛书序
前言

第1章碳基纳电子学和光电子学基本介绍
参考文献

第2章量子力学基础及原子轨道、能级
2.1量子力学基础
2.2原子能级和轨道
2.3狄拉克符号
参考文献

第3章分子的结合、轨道相互作用与杂化
3.1最简单的双原子分子氢分子
3.2基于s态的双原子分子
3.3基于s和p态的双原子分子
3.4s—p轨道相互作用
3.5s—p轨道杂化
3.5.1sp"杂化的一般描述
3.5.2sp杂化
3.5.3sp2杂化
3.5.4sp3杂化
3.5.5一般讨论
参考文献

第4章石墨烯和碳纳米管的原子和电子态结构
4.1石墨烯的晶格结构与描述
4.2碳纳米管的晶格结构与描述
4.3晶体的紧束缚方法和能带结构
4.4石墨烯的电子能带结构
4.5碳纳米管的电子能带结构
4.5.1扶手椅型碳纳米管的能带结构
4.5.2锯齿型碳纳米管的能带结构
4.5.3碳纳米管能带结构的一般讨论
参考文献

第5章单壁碳纳米管和石墨烯的可控制备
5.1基底上单壁碳纳米管的可控生长
5.1.1单壁碳纳米管生长的催化剂
5.1.2基底上水平单壁碳纳米管阵列的生长及方向控制
5.1.3单壁碳纳米管的导电性和结构可控制备
5.2石墨烯的制备
5.2.1机械剥离法
5.2.2外延生长法
5.2.3化学气相沉积法
5.2.4溶液化学剥离石墨法
参考文献

第6章碳基纳米结构的表征
6.1石墨烯的拉曼光谱
6.1.1石墨烯的拉曼振动模式和拉曼光谱
6.1.2石墨烯层数的确定
6.1.3判断石墨烯的边缘结构
6.2碳纳米管的拉曼光谱
6.2.1碳纳米管的拉曼振动模式
6.2.2径向呼吸模式
6.2.3G峰
6.2.4D峰
6.2.5张力和温度等对碳纳米管拉曼光谱的影响
6.2.6表面增强拉曼光谱
6.3碳纳米管的荧光光谱
6.4扫描探针显微术在碳纳米管研究领域中的应用
6.4.1扫描隧道显微镜
6.4.2原子力显微镜
6.4.3静电力显微镜
6.4.4开尔文力显微镜
参考文献

第7章基于碳纳米管的电子器件和集成电路
7.1碳纳米管和石墨烯材料的结构和电学特点
7.2碳纳米管场效应晶体管
7.2.1碳纳米管器件的工作原理
7.2.2碳纳米管的p型欧姆接触和p型弹道器件
7.2.3碳纳米管的n型欧姆接触和n型弹道器件
7.3碳纳米管场效应晶体管器件结构及性能优化
7.3.1碳纳米管场效应晶体管器件的特征曲线
7.3.2碳纳米管场效应晶体管的性能参数
7.3.3碳纳米管场效应晶体管模型
7.3.4碳纳米管顶栅器件和高k栅介质
7.3.5碳纳米管场效应晶体管的自对准栅结构
7.3.6碳纳米管场效应晶体管器件的性能优势
7.4碳纳米管数字集成电路
7.4.1p型集成电路
7.4.2碳纳米管CMOS集成电路
7.4.3无掺杂的碳纳米管CMOS集成电路
7.4.4碳纳米管PTL集成电路
7.4.5碳纳米管薄膜器件和集成电路
7.4.6碳纳米管场效应晶体管的性能极限和潜力
参考文献

第8章碳基纳电子学——模拟电路
8.1碳纳米管射频晶体管
8.1.1射频晶体管小信号模型和频率参数
8.1.2场效应晶体管的二端口网络模型与散射参数
8.1.3单根碳纳米管的频率特性
8.1.4基于碳纳米管薄膜的高频晶体管
8.2石墨烯晶体管
8.2.1石墨烯电学性质
8.2.2石墨烯场效应晶体管的工作原理和器件模型
8.2.3石墨烯顶栅FET及其制备
8.2.4石墨烯能带工程
8.2.5石墨烯射频晶体管
8.2.6石墨烯晶体管存在的问题和解决方法
8.3碳基双极电子学
8.3.1基于石墨烯的双极电子学
8.3.2基于碳纳米管的双极电子学
8.4展望
参考文献

第9章碳基光电器件：发光、探测、光电耦合
9.1碳纳米管中的激发态（激子）特性
9.2碳纳米管发光器件
9.2.1基于单根碳纳米管的发光器件
9.2.2基于碳纳米管薄膜的发光器件
9.3碳纳米管光探测器
9.4碳纳米管基太阳能电池
9.5碳纳米管电光调制器件及光电集成
9.6石墨烯光电器件
参考文献

索引
彩图

前言/序言

《碳基纳电子和光电子器件》一书引介 在这科技飞速发展的时代，半导体材料与器件的研究无疑是推动信息技术、能源转换以及生命科学等众多前沿领域进步的核心驱动力。特别是那些具有独特性能、能够实现高性能、低功耗、柔性化以及生物兼容性的新型材料，更是备受瞩目。《碳基纳电子和光电子器件》一书，正是聚焦于一类极具潜力的材料——碳基纳（Carbon-based Nanomaterials），深入探讨其在电子和光电子器件领域的创新应用与发展前景。 本书并非泛泛而谈，而是以严谨的学术态度和前沿的科学视角，系统地阐述了碳基纳材料的起源、结构特性、制备方法，以及它们在设计和制造高性能电子和光电子器件中的独特优势。它旨在为读者提供一个全面而深入的理解框架，不仅涵盖了基础理论，更触及了前沿的研究进展和潜在的应用方向，是一本面向研究人员、工程师、高年级本科生及研究生，以及对这一交叉学科领域感兴趣的读者的重要参考著作。 第一章：碳基纳材料的概览与基本概念 本书的开篇，首先为读者构建了碳基纳材料的宏观认识。这一章将详细介绍什么是碳基纳材料，它们的构成元素，以及为什么碳这种元素能够形成如此多样且性能优异的结构。我们将追溯碳纳米材料的历史发展脉络，从石墨烯的发现开始，到碳纳米管、富勒烯等一系列经典材料的涌现，再到近年来涌现出的诸如碳点、二维碳材料等新型结构。 本章还将深入剖析这些碳基纳材料的独特微观结构。例如，石墨烯作为一种单层碳原子构成的二维材料，其完美的六角形晶格结构赋予了它卓越的电学、热学和力学性能。碳纳米管则是由石墨烯片卷曲而成的圆柱形结构，其手性（chirality）决定了其金属性或半导体性，为电子器件的设计提供了丰富的可能性。富勒烯，以其笼状结构著称，为分子电子学和光电器件提供了全新的构筑单元。 此外，本章将对碳基纳材料的物理化学性质进行系统性的梳理。这包括其高的载流子迁移率、优异的导电性和导热性、巨大的比表面积、可调的光学带隙、以及良好的化学稳定性和生物相容性。这些基础性质是理解其在各种器件中发挥作用的关键。 第二章：碳基纳材料的制备与表征技术 要将碳基纳材料应用于实际器件，高效、可控的制备方法和精确的表征技术至关重要。本章将详细介绍当前主流的碳基纳材料制备技术，并对其优缺点进行比较分析。 在材料制备方面，本书将重点介绍： 自上而下（Top-down）方法： 如氧化还原法制备石墨烯，机械剥离法，以及超声分散法等。这些方法通常能够获得较大尺寸的材料，但可能存在缺陷控制和产率的问题。 自下而上（Bottom-up）方法： 如化学气相沉积（CVD）法制备高质量石墨烯和碳纳米管，以及有机合成法制备富勒烯和碳点。这些方法在材料的结构和性能可控性方面具有优势，但可能面临规模化生产的挑战。 对于各种新型碳基纳材料，例如功能化的碳纳米管、掺杂的石墨烯、尺寸可调的碳点等，本书也将介绍专门的制备策略。 在材料表征方面，本章将深入探讨常用的技术手段，确保读者能够全面了解材料的结构、形貌、组成和性能： 显微成像技术： 如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），用于观察材料的形貌和微观结构。 光谱学技术： 如拉曼光谱（Raman Spectroscopy）、X射线光电子能谱（XPS），用于分析材料的化学组成、结构缺陷和电子态。 电学表征技术： 如霍尔效应测量、四探针法，用于评估材料的导电性能和载流子特性。 光学表征技术： 如紫外-可见吸收光谱、荧光光谱，用于研究材料的光学吸收和发光性质。 通过对这些制备和表征技术的深入讲解，本书旨在帮助读者掌握如何获取并准确评估高质量的碳基纳材料，为后续的器件设计和制造奠定坚实基础。 第三章：碳基纳电子器件的原理与设计 本章是本书的核心内容之一，将聚焦于碳基纳材料在构建各类电子器件中的应用。电子器件是信息处理和传输的基石，而碳基纳材料因其独特的电学性能，为开发下一代高性能电子器件提供了前所未有的机遇。 我们将首先探讨碳基纳材料如何被用作导电通路和电极材料。例如，石墨烯作为一种零带隙半导体，虽然在逻辑开关应用方面存在挑战，但其极高的载流子迁移率使其成为优异的射频器件、传感器和透明导电薄膜的理想选择。碳纳米管，特别是半导体型的碳纳米管，则有望直接取代硅，构建高性能的晶体管，实现更快的开关速度和更低的功耗。 本书将详细阐述以下关键电子器件的原理和设计： 碳基纳晶体管： 包括场效应晶体管（FETs），重点介绍基于石墨烯、碳纳米管（单壁和多壁）以及二维碳氮化物等材料的构筑。我们将讨论器件的沟道材料选择、栅极工程、源漏电极接触等关键设计因素，以及如何通过材料改性和结构优化来改善器件的开关比、阈值电压稳定性、以及抗干扰能力。 碳基纳传感器： 利用碳基纳材料巨大的比表面积和对外界环境敏感的电学特性，制备各种化学传感器、生物传感器、以及气体传感器。本书将介绍如何利用不同碳基纳材料（如石墨烯氧化物、功能化碳纳米管）与特定分析物的相互作用，通过电学信号的变化来检测目标物质，并讨论灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等关键性能指标的提升策略。 碳基纳透明导电薄膜： 石墨烯和金属有机框架衍生的碳材料具有良好的导电性和光学透明性，是替代ITO（氧化铟锡）的有力候选者，广泛应用于触摸屏、柔性显示器和太阳能电池。本章将探讨如何通过控制材料的层数、缺陷以及表面处理来优化其透明度和导电性。 柔性电子器件： 碳基纳材料的柔韧性使其成为实现可穿戴设备、可折叠显示器和柔性电路板的关键材料。本书将讨论如何将碳基纳材料集成到聚合物基底上，以及在柔性基底上的器件设计和制造挑战。 第四章：碳基纳光电子器件的原理与设计 除了电子器件，碳基纳材料在光电子领域同样展现出巨大的潜力。光电子器件是将光信号与电信号相互转换的器件，在通信、显示、照明、传感和能源等领域有着广泛的应用。《碳基纳电子和光电子器件》一书的这一章节，将深入探讨碳基纳材料在这些光电子器件中的应用。 本书将详细介绍以下重要的光电子器件： 碳基纳发光二极管（LEDs）与有机发光二极管（OLEDs）： 碳点因其尺寸效应和表面官能团可调，能够产生高效、色彩纯度高的荧光和磷光，使其成为新型LEDs和OLEDs的潜在发光材料。本书将讨论碳点的制备与功能化，以及如何优化其电注入和载流子传输特性，以实现高性能的发光器件。 碳基纳光电探测器： 石墨烯及其衍生物具有宽光谱响应范围和极快的响应速度，非常适合用作高性能光电探测器，应用于光通信、成像和环境监测。本书将介绍基于石墨烯的零偏置光电探测器，以及如何通过异质结结构和等离激元增强来提高探测器的灵敏度和响应速度。 碳基纳太阳能电池： 碳基纳材料，如石墨烯、碳纳米管、碳点，可以作为光活性层、电子传输层或空穴传输层，用于构建高效的有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池以及量子点太阳能电池。本书将探讨它们在界面工程、激子分离和载流子传输方面的作用，以及如何通过材料设计和器件结构优化来提高能量转换效率。 光通信与光调制器件： 石墨烯的电光效应使其成为开发高速光调制器的理想材料，有望应用于光通信网络。本书将介绍基于石墨烯的马赫-曾德尔干涉仪型调制器、锥形光纤调制器等，并讨论其工作原理和性能极限。 光热转换与光动力疗法： 某些碳基纳材料，如石墨烯和碳纳米管，具有优异的光热转换效率，可用于生物医学领域的肿瘤热疗。此外，它们还可以作为光动力疗法的载体，用于治疗癌症。本书将介绍这些应用背后的机理，以及生物相容性和靶向递送等方面的研究进展。 第五章：碳基纳器件的集成、封装与未来展望 要将实验室中的碳基纳器件转化为实际应用，器件的集成、封装以及大规模生产是不可忽视的环节。本书的最后一章，将着眼于这些实际问题，并对碳基纳电子和光电子器件的未来发展方向进行展望。 在器件集成方面，本书将讨论如何将多种碳基纳材料或碳基纳材料与其他功能材料（如聚合物、无机半导体）进行复合，以实现更复杂的功能。这将包括多层器件的制备、三维集成技术以及异质集成策略。 器件的封装对于保证其长期稳定性和可靠性至关重要。本书将探讨不同类型的封装技术，特别是对于柔性、可穿戴器件而言，如何实现有效的保护和密封，防止水分和氧气的侵蚀。 最后，本书将对碳基纳电子和光电子器件的未来发展进行展望。我们将探讨当前面临的挑战，例如材料的缺陷控制、载流子传输的散射问题、界面工程的优化、以及规模化生产的经济性问题。同时，本书也将积极展望碳基纳材料在量子计算、生物电子学、能源储存与转换、以及环境监测等新兴领域的巨大潜力。 《碳基纳电子和光电子器件》一书，通过对碳基纳材料的深入剖析，对其在电子和光电子器件领域的广泛应用进行了全面的梳理和阐述。它不仅是一本技术手册，更是一本启发读者思考和创新的思想之源，对于推动下一代高性能、多功能器件的发展具有重要的指导意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书《碳基纳电子和光电子器件》在我看来，简直是一本为未来电子科技发展描绘蓝图的著作。我一直对那些能够彻底改变我们生活方式的颠覆性技术充满好奇，而碳基纳材料无疑就是其中之一。作者在书中对碳基纳材料的电子和光物理特性进行了详尽的描述，并且非常巧妙地将这些特性与器件的性能联系起来。我尤其喜欢书中关于“碳基纳材料的优异热学性能”的讨论，这在电子器件的可靠性和稳定性方面至关重要，书中通过大量的实验数据和理论计算，证明了碳基纳材料在散热方面的优势，这对于处理高功率密度器件非常有意义。此外，本书在光电子器件方面的内容也非常精彩，尤其是在介绍碳基纳材料如何应用于高效发光二极管（LED）和光电探测器时，作者不仅解释了其基本原理，还深入分析了如何通过材料设计和器件结构优化来提升器件的亮度和响应速度。让我印象深刻的是，书中对于“柔性碳基纳光电子器件”的展望，这种能够弯曲、折叠甚至拉伸的光电元件，将为可穿戴设备、柔性显示器以及生物电子医学等领域带来前所未有的机遇。这本书的语言风格非常专业，但又不失趣味性，读起来让人感觉置身于一个充满创新和突破的科研前沿。

评分☆☆☆☆☆

对于《碳基纳电子和光电子器件》这本书，我最大的感受就是它不仅仅是一本技术书籍，更像是一次关于材料科学与未来电子技术融合的深刻探索。作者以一种非常前瞻性的视角，深入剖析了碳基纳材料的核心优势，并将其与电子和光电子器件的性能提升紧密结合。我特别欣赏书中对材料合成和表征方法的介绍，即使是对这些技术不太熟悉的人，也能通过书中的图示和解释，大致了解其精妙之处。而且，作者在讨论不同合成方法对最终器件性能的影响时，非常细致，给出了很多极具价值的对比分析。尤其让我着迷的是，书中关于“碳基纳材料在低功耗电子器件中的应用”的章节。在当今能源日益紧张的时代，开发更节能的电子设备是必然趋势，而碳基纳材料在这方面展现出了巨大的潜力。作者通过具体的例子，展示了如何利用碳基纳材料的独特电子结构来设计超低阈值电压的晶体管，从而大幅降低器件的功耗。同时，本书在光电子器件部分也同样出色，对于如何利用碳基纳材料实现高效、宽带的光电转换，以及其在新型激光器和光通信领域的应用，都进行了深入浅出的阐述。这本书的整体感觉就像是在阅读一位资深科学家对自己研究领域的深情剖析，充满了智慧和洞察力。

评分☆☆☆☆☆

对于《碳基纳电子和光电子器件》这本书，我不得不说，它提供了一种非常独特的视角来审视电子和光电子器件的未来发展。不同于我之前读过的一些偏重于传统材料的书籍，这本书将焦点完全放在了新兴的碳基纳材料上，并且深入探讨了它们在器件设计和性能优化方面的无限可能。我特别欣赏作者在阐述材料制备工艺时所展现出的细致和严谨。从薄膜沉积到纳米结构构建，每一个步骤都被详细地讲解，甚至还附带了相关的设备示意图，这让我感觉像是亲身经历了材料的诞生过程。而且，书中对于不同制备方法在器件性能上造成的影响也进行了深入的比较分析，这对于研究人员来说，无疑是宝贵的参考。此外，本书在光电子器件部分也下了很大功夫，尤其是在讨论碳基纳材料如何用于LED、太阳能电池和光探测器时，作者不仅解释了其工作原理，还详细分析了如何通过调整材料的能带结构来提高器件的效率和稳定性。我印象最深的是关于“碳基纳量子点的发光特性”的论述，作者解释了为何碳基纳量子点能够发出如此纯净且可调的光，以及它在显示技术和生物成像方面带来的革命性变化。这本书的叙述方式非常专业，但又不会过于晦涩，文字之间充满了对科学探索的热情，读起来非常有启发性。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，《碳基纳电子和光电子器件》这本书给我带来的震撼是多方面的。首先，它彻底颠覆了我对“新材料”的认知。过去我总是觉得新材料的出现更多的是渐进式的改进，但碳基纳材料的出现，在我看来，更像是一场革命。书中对碳基纳材料的物理本质进行了深刻的剖析，尤其是关于其独特的电子和光学性质，作者用了大量引人入胜的比喻和类比，使得那些抽象的概念变得生动具体。比如，作者将碳基纳材料的载流子传输能力比作高速公路，将光子吸收和发射过程比作一场精妙的光与物质的舞蹈，这些都极大地激发了我对材料的兴趣。书中对于碳基纳材料在电子器件中的应用，比如在逻辑电路、存储器以及传感器方面的潜力，进行了深入的探讨。我特别关注了关于“碳基纳沟道晶体管的场效应”那一章，作者详细解释了如何通过改变栅极电压来精确控制沟道的导电性，以及这种精确控制如何为实现更小、更快、更节能的电子器件奠定基础。此外，书中对于碳基纳材料在光电子器件中的应用，例如高效太阳能电池和新型光传感器，也进行了详尽的阐述。这本书的结构非常合理，从材料的基本性质到具体的器件应用，层层递进，逻辑性极强。

评分☆☆☆☆☆

读完这本《碳基纳电子和光电子器件》之后，我最大的感受就是它打开了我对未来电子材料研究的一扇新大门。在此之前，我对半导体材料的认知主要集中在硅基材料上，总觉得它们已经是成熟且完美的。但这本书的出现，让我看到了碳基纳材料作为一种极具潜力的替代品，甚至在某些方面能超越现有技术。作者在介绍碳基纳材料的物理化学特性时，用了大量通俗易懂的比喻，比如将原子结构比作精密的乐高积木，将导电机制比作交通网络，这让我这个非材料专业背景的读者也能轻松理解那些复杂的概念。尤其让我印象深刻的是，书中详细阐述了碳基纳材料在柔性电子、可穿戴设备以及生物传感器等前沿领域的应用前景。想象一下，未来我们佩戴的手表可以像一张纸一样卷起来，甚至能监测我们的生理指标，这简直就是科幻电影中的场景！作者在分析这些应用时，不仅列举了理论上的可能性，还引用了近期的实验数据和研究成果，这让整个论述更加严谨且具有说服力。我尤其喜欢其中关于“碳基纳晶体管的开关速度”那一章节，作者用数据和图表清晰地展示了碳基纳材料在提升器件速度方面的优势，这对追求更快运算速度的电子行业来说，无疑是一个令人振奋的消息。总体来说，这本书内容非常扎实，逻辑清晰，无论是对专业研究者还是对电子科技感兴趣的普通读者，都能从中获得丰富的知识和深刻的启示。