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第0章 绪论1

0.1 科技发展的机遇1

0.2 纳电子学5

0.2.1 三代电子器件6

0.2.2 纳电子器件的主要特征7

0.2.3 放大电信号的基本元件8

0.2.4 从碳切入研究纳电子器件9

0.3 摩尔定律之外11

0.3.1 摩尔定律12

0.3.2 量子调控14

0.4 NBIC会聚技术16

0.5 碳时代17

参考文献19

第1章 碳元素材料20

1.1 碳的轨道杂化20

1.2 碳的异构体23

1.2.1 石墨与金刚石24

1.2.2 碳纤维25

1.2.3 富勒烯25

1.2.4 碳纳米管27

1.2.5 石墨烯28

参考文献29

第2章 C60与巴基葱30

2.1 C6030

2.2 巴基葱32

2.2.1 巴基葱的制备32

2.2.2 巴基葱的电学特性33

2.3 富勒烯场效应三极管物理36

2.3.1 分子的隧穿传输38

2.3.2 分子通道的传输速率40

2.3.3 压缩C60时的能级排斥42

2.3.4 机电单分子三极管47

2.4 C60单电子管49

2.5 单电子管电路53

2.6 C70复合物三极管与电路55

2.6.1 ［70］PCBM三极管的电荷传输55

2.6.2 基于［70］PCBM三极管的逻辑电路59

2.7 碳纳米管填充富勒烯60

2.8 C60／并五苯倒相器63

2.8.1 底接触双极性OTFT65

2.8.2 C60／苯异质结构的底接触倒相器68

2.9 C60复合物三极管69

2.9.1 C60-三聚氰胺功能材料制备70

2.9.2 三聚氰胺膜的结构和介电特性71

2.9.3 小分子三极管的传输和输出特性72

参考文献74

第3章 碳纳米管制造75

3.1 电弧放电法75

3.2 激光蒸发法76

3.3 化学气相沉积法77

参考文献79

第4章 碳纳米管的原子结构80

4.1 碳纳米管结构的分类80

4.1.1 手性矢量Ch80

4.1.2 平移矢量T81

4.1.3 对称矢量R82

4.2 单胞与布里渊区83

参考文献84

第5章 碳纳米管的电子结构85

5.1 单电子色散关系85

5.1.1 能量色散关系的区域重叠85

5.1.2 扶手椅型管和锯齿型管的能散87

5.1.3 手性纳米管的色散89

5.2 态密度和能隙90

5.3 派尔斯相变92

参考文献93

第6章 理想的纳电子材料94

6.1 碳纳米管的电学特性95

6.1.1 场发射器件96

6.1.2 纳电子器件97

6.2 未来的主流电子材料98

6.3 碳管的电导率和迁移率100

参考文献103

第7章 碳纳米管的传输特性104

7.1 在一维体系中的电子输运104

7.2 三种传输特征106

7.3 弹道导体108

7.4 经典输运109

7.5 局域化110

7.6 普适电导涨落111

7.7 碳纳米管的电子传输113

7.8 碳纳米管电导与温度的关系116

参考文献119

第8章 碳纳米管中电子的弹道输运121

8.1 纳米尺度弹道输运的概念121

8.2 共振传输127

8.3 碳纳米管的弹道输运128

8.4 碳纳米管超导特性133

8.5 尺寸对超导特性的影响139

8.5.1 1D电子体系中的相变139

8.5.2 Luttinger液体崩溃140

8.5.3 超出Luttinger模型141

8.6 单壁碳纳米管的超导142

8.7 碳纳米管的超导近邻效应145

8.8 单壁碳纳米管的超流149

8.9 多壁碳纳米管的超流153

参考文献156

第9章 碳纳米管的自旋传输和微波传输158

9.1 碳纳米管自旋传输158

9.2 碳纳米管微波传输162

参考文献165

第10章 电子全息167

10.1 全息的概念168

10.1.1 光学全息169

10.1.2 激光170

10.1.3 全息基础171

10.2 全息的发展进程173

10.3 电子全息174

参考文献179

第11章 碳纳米管场发射180

11.1 场发射电子源180

11.2 碳纳米管场发射阴极181

11.2.1 单根碳纳米管的场发射181

11.2.2 碳纳米管薄膜场发射183

11.2.3 场发射引起的发光185

11.3 碳纳米管的相干场发射186

11.3.1 单壁碳纳米管的扩散场发射187

11.3.2 碳纳米管相干场发射188

11.4 碳纳米管场发射模拟计算190

11.4.1 结构与模型191

11.4.2 用密度泛函计算场发射特性191

11.5 吸附对场发射的影响193

11.5.1 荷电的影响193

11.5.2 吸附的影响194

11.6 碳纳米管场发射的原子像197

11.7 碳纳米管场发射的稳定问题203

参考文献207

第12章 弹道电子发射208

12.1 弹道电子发射源208

12.2 弹道电子场发射理论208

12.3 单壁碳纳米管弹道场发射211

12.4 相干电子束特性检测仪217

12.4.1 LEEPSM的工作原理218

12.4.2 低能电子点投影显微镜的结构219

12.4.3 纳米尺度物体投影像的定标220

12.4.4 用钨针尖观察多壁碳纳米管投影像221

12.5 超强高亮度相干电子发射源224

12.6 Beeser的可能应用227

参考文献228

第13章 碳纳米管三极管229

13.1 纳电子器件的基本概念229

13.1.1 信号放大管229

13.1.2 双稳态230

13.1.3 库仑阻塞231

13.1.4 量子相干器231

13.2 碳纳米管三极管模型232

13.2.1 量子模型232

13.2.2 测量235

13.3 碳纳米管场效应管236

13.4 碳纳米管超流三极管238

13.5 碳纳米管单电子管242

13.6 可调碳纳米管振荡器247

13.7 碳纳米管超导量子相干器件251

13.7.1 电子传输特性和Kondo效应253

13.7.2 CNT-SQUID特性254

13.7.3 CNTπ结255

参考文献258

第14章 三极管的双极特性259

14.1 场效应管的双极特性259

14.2 理论模拟261

14.3 主要参量263

14.3.1 电导率263

14.3.2 阈值斜率264

14.3.3 开态电流264

14.3.4 跨导266

14.4 双极性三极管电路267

14.4.1 p型FET用Pd欧姆接触267

14.4.2 n型FET与Al电极近欧姆接触268

14.4.3 环境的影响270

14.4.4 逻辑电路270

14.5 碳纳米管CMOS倒相器271

14.6 双极性碳纳米管逻辑电路277

参考文献281

第15章 碳纳米管电路283

15.1 碳纳米管电路设计284

15.1.1 电流模式284

15.1.2 碳纳米管284

15.1.3 基本组块285

15.1.4 阈值检测器289

15.1.5 加法器290

15.2 纳米尺度电路连接290

15.3 碳纳米管电路匹配297

15.3.1 弹道CNT-FET298

15.3.2 弹道CNT-FET的理论299

15.3.3 量子电荷计算302

15.3.4 CNT-FET特性303

15.4 碳纳米管的连接304

15.4.1 碳纳米结的构成304

15.4.2 两个纳米管的连接规则306

15.4.3 结的隧穿电导306

15.5 碳纳米管逻辑电路307

15.6 碳纳米管集成电路308

15.6.1 单三极管模型309

15.6.2 电路运行中的寄生作用309

15.7 碳纳米管弹道CMOS电路311

15.8 CNT的高频电路316

15.9 碳纳米管网电路320

15.9.1 CNT网的制备320

15.9.2 沉积321

15.9.3 场效应三极管制备323

参考文献324

第16章 石墨烯326

16.1 石墨烯的发现327

16.2 石墨烯的结构与特性330

16.3 石墨烯三极管333

16.4 双层石墨烯电子器件335

16.5 石墨烯纳米带三极管342

16.5.1 理想结构342

16.5.2 原子空位344

16.5.3 边缘粗糙346

16.5.4 离子杂质347

16.6 石墨烯单电子管349

16.7 石墨烯高频三极管352

16.8 石墨烯的自旋传输358

16.8.1 自旋阀358

16.8.2 自旋传输测量360

16.8.3 门有关的自旋进动测量360

16.9 石墨烯自旋三极管362

16.10 石墨烯自旋阀三极管365

16.11 石墨烯超快光电检测器370

16.12 石墨烯器件集成376

16.13 石墨烯电路381

16.14 石墨烯的奇异特性385

参考文献392

第17章 石墨烯的拓扑效应394

17.1 发现与分类395

17.2 基本概念396

17.3 拓扑能带理论397

17.3.1 绝缘态与整数量子霍尔效应398

17.3.2 量子自旋霍尔绝缘体400

17.4 石墨烯原子结构的拓扑特征402

17.4.1 Stone-Wales缺陷403

17.4.2 有丝分裂缺陷405

17.4.3 缺陷在环境中的稳定性407

17.5 石墨烯拓扑绝缘体407

17.5.1 石墨烯中的拓扑保护407

17.5.2 石墨烯纳米带的拓扑特性409

17.5.3 石墨烯纳米带拓扑绝缘体特性409

17.6 石墨烯的陈数411

17.6.1 狄拉克费米子的拓扑稳定性411

17.6.2 陈数表征的石墨烯霍尔电导412

17.6.3 石墨烯狄拉克费米子的边态414

17.7 石墨烯的量子自旋霍尔效应415

17.7.1 用NEGF计算多端QSH系统的自旋泵浦417

17.7.2 在2端TI/FM/TI器件中的局域和总电流420

17.7.3 在6端TI/FM/TI器件中局域和总电流422

17.8 石墨烯的强关联效应427

参考文献431

第18章 碳纳米管中的电子强关联432

18.1 固体的量子统计模型432

18.2 轨道电子云434

18.3 量子调控437

18.4 在碳纳米管中的电子-电子强作用441

18.5 碳纳米管中的关联效应445

参考文献450

第19章 碳电子学发展前景451

19.1 碳纳米管传感器451

19.1.1 碳纳米管单电子管451

19.1.2 碳纳米管气体传感器453

19.2 功能器件455

19.2.1 碳纳米管太阳电池455

19.2.2 碳纳米管冷却器457

19.3 新型电子源与光电器件458

19.3.1 具有CNT电子源的微型SEM458

19.3.2 高能电子源459

19.3.3 光电器件460

19.4 智能电路462

19.4.1 智能器件的特征462

19.4.2 芯片人463

19.4.3 人造物种465

参考文献467