百道网-中国专业的出版与数字出版产业门户
 您现在的位置:Fun书 > 纳米科学与技术:碳纳米管与石墨烯器件物理
纳米科学与技术:碳纳米管与石墨烯器件物理


纳米科学与技术:碳纳米管与石墨烯器件物理

作  者:[美] H.S.菲利普·翁,[美] 德基·阿金旺德 著 郭雪峰,张洪涛 译

出 版 社:科学出版社

出版时间:2014年01月

定  价:80.00

I S B N :9787030390554

所属分类: 科学与自然  >  化学    

标  签:化学  科学与自然  

[查看微博评论]

分享到:

TOP内容简介

这是第一部讲解实用纳米管器件性能和应用的入门级教科书。《纳米科学与技术:碳纳米管与石墨烯器件物理》从基础概念讲起,使读者不需要高等背景知识便可以充分了解书中的主要观点和结论。此外,《纳米科学与技术:碳纳米管与石墨烯器件物理》还讨论了纳米晶体管和互连技术,以及石墨烯的基本物理特性。书中每章末尾的习题有助于读者检验对所阅读内容的理解程度,并帮助读者深入领悟书中所发展的分析技能。

TOP作者简介

H.-S.菲利普·黄(H.-S. Philip Wong) 自2004年起在斯坦福大学电子工程系担任教授。在加入斯坦福大学之前的十六年里,他在位于纽约州Yorktown Heights的IBM T.J.Watson Research Center(IBM沃森研究中心)担任过从固定研究人员到高层管理人员的多种职位。他还是TEEE会士。他目前的研究领域十分广泛,包括碳纳米管、半导体纳米线、自组装、探索性的逻辑器件、纳米电子机械器件以及新型存储器件等。
  
  德基·阿金旺德(Deji Akinwande) 2009年于斯坦福大学获得哲学博士学位,之后加入得克萨斯大学奥斯汀分校做助理教授。在攻读博士学位之前,他曾在安捷伦、XtremeSpectrum/Freescale及摩托罗拉公司担任电路设计工程师。他发表了大量有关碳纳米材料的文章。

TOP目录

前言
第1章 碳纳米管概论
1.1 简介
1.2 碳管的曲折发展简史
1.3 碳纳米管的合成
1.3.1 化学气相沉积法
1.3.2 电弧法
1.3.3 激光烧蚀法
1.4 表征技术
1.5 非碳纳米管

第2章 固体中的电子:基本介绍
2.1 简介
2.2 固体中电子的量子力学
2.3 真空中的电子
2.4 有限空间固体中的电子
2.5 具有周期性结构的固体中的电子:Kronig?Penney模型
2.6 从Kronig?Penney模型中获得的重要观点
2.7 固体中的基本晶体结构
2.8 布拉维晶格
2.8.1 原胞基矢
2.8.2 基元晶胞
2.9 倒易晶格
2.9.1 倒易晶格的一些特性
2.9.2 第一布里渊区
2.9.3 一个例子:六方晶格
2.1 0小结
2.1 1习题集

第3章 石墨烯
3.1 简介
3.2 正格子
3.3 倒易晶格
3.4 电子能带结构
3.5 紧束缚能级色散
3.6 线性能量色散和载流子密度
3.7 石墨烯纳米带
3.8 小结
3.9 习题集

第4章 碳纳米管
4.1 简介
4.2 手性:描述纳米管的重要概念
4.3 碳纳米管晶格
4.4 碳纳米管布里渊区
4.5 对布里渊区的一般认识
4.6 手性纳米管的紧束缚色散
4.7 扶手椅型纳米管的能带结构
4.8 之字型纳米管的能带结构及其带隙的来源
4.9 紧束缚方法的局限性
4.1 0小结
4.1 1习题集
·vi·
第5章 碳纳米管的平衡态性质
5.1 简介
5.2 一维自由电子态密度
5.3 之字型纳米管的态密度
5.4 扶手椅型纳米管的态密度
5.5 手性纳米管的态密度以及半导体性碳纳米管的一般态密度
5.6 群速率
5.7 有效质量
5.8 载流子密度
5.9 小结
5.1 0习题集

第6章 理想量子电学性质
6.1 简介
6.2 量子电导
6.3 多壁碳纳米管的量子电导
6.4 量子电容
6.5 石墨烯的量子电容
6.6 金属性碳纳米管的量子电容
6.7 半导体性碳纳米管的量子电容
6.8 碳纳米管量子电容的实验验证
6.9 金属性碳纳米管中的动能电感
6.1 0从普朗克到量子电导: 以能量为基础来推导传导性质
6.1 1小结
6.1 2习题集

第7章 碳纳米管互连
7.1 简介
7.2 电子散射和晶格振动
7.3 电子平均自由程
7.4 单壁碳纳米管低场电阻模型
7.5 单壁碳纳米管高场电阻模型和电流密度
7.6 多壁碳纳米管电阻模型
7.7 传输线互连模型
7.8 无损碳纳米管传输线模型
7.9 有损碳纳米管传输线模型
7.1 0碳纳米管和铜互连之间的性能比较
7.1 1小结
7.1 2习题集
·vii·
第8章 碳纳米管场效应晶体管
8.1 简介
8.2 CNFETs器件结构
8.3 表面势
8.4 欧姆接触CNFETs的弹道输运理论
8.5 包含漏电极光学声子散射的CNFETs弹道性理论
8.6 弹道性CNFETs的性能参数
8.7 量子CNFETs
8.8 肖特基势垒弹道性CNFETs
8.9 单极性CNFETs
8.1 0传统二维金属?氧化物?半导体场效应晶体管和弹道性一维晶体管
之间的区别
8.1 1小结
8.1 2习题集

第9章 碳纳米管应用
9.1 简介
9.2 化学和生物传感器
9.3 扫描探针显微镜针尖
9.4 纳米电机械系统
9.5 电子场发射
9.6 柔性基底上的集成电子学
9.7 储氢材料
9.8 复合材料
参考文献
索引

TOP书摘

第1章碳纳米管概论第1章碳纳米管概论
  自然乃万物之源。1?1简介碳是一种既古老而又全新的材料。碳的应用可以追溯到远古时代,然而,碳材料的许多新的晶态存在形式直到最近几十年才被人们于科学实验中发现。这些全新的晶体形态包括巴基球(富勒烯)、碳纳米管(CNTs)和石墨烯,后两者列于图1?1中。碳纳米管又可以分为两类:单壁管和多壁管,如图1?1(a)和图1?1(b)所示。碳的这几种全新的存在形式与传统的石墨和钻石形成了鲜明的对比碳可以形成最美的材料,如钻石,同时也可以形成最丑陋的材料,如石墨(铅笔芯)。。尤其是它们都具有碳原子六方晶格的排列方式。此外,相对而言,碳纳米管和石墨烯占据更少的空间,因此它们通常被简称为少维材料,或低维材料,抑或是纳米材料。如果要给这些纳米材料一个尺度上的定义,纳米管的直径是人头发的1/10 000,石墨烯的厚度是一张纸的1/300 000。典型纳米管的直径为1~100 nm,而石墨烯只有一个原子层的厚度(3?4 ?)。从根本上说,是低维尺度和独特的晶格排列方式共同使碳纳米管和石墨烯材料显示出独特的迷人魅力。
  图1?1碳纳米管和石墨烯的球棍模型:(a) 单壁碳纳米管;(b) 多壁碳纳米管;
  (c) 石墨烯,即单层石墨。球代表碳原子,棍代表碳碳键
  本书的主题将围绕这些材料迷人的电学特性展开,同时介绍碳纳米管和石墨烯两部分内容,但主要重心还是放在碳纳米管方面。这是由于碳纳米管的研究始于1991年,而石墨烯的研究则始于2005年,更长的研究时间为人们对碳纳米管的研究提供了更加深入的理解。如图1?2所示,我们可以从发表在三类主要学术期刊(物理、化学和电子工程)的文章数目看出人们对纳米管领域的研究热情与知识积累速度。的确,在过去的十年里,人们对碳纳米管的研究兴趣呈指数般增长,目前逐渐趋于饱和的论文发表标志着人们对碳纳米管基本性质的领悟达到成熟。相应地,许多有关碳纳米管材料新奇应用的研究论文数目在逐年增加,如图1?3所示。
  图1?2发表在国际杂志上题目中含有“碳纳米管”的论文数目的增长趋势。AIP/APS分别代表美国物理研究所和美国物理学会,ACS则是美国化学会的首字母缩写,IEEE
  代表电气和电子工程师协会的各类杂志
  图1?3摘要中含有“碳纳米管”的美国专利申请数目和授予数目。从某种意义上来说,
  这说明人们对CNTs的应用兴趣在逐年增加本章将从一个广泛的历史视角来展现碳纳米管的魅力,同时也会简要介绍一些合成与表征手段。其中包含一些非碳纳米管的内容,以免给读者造成只有碳原子才能形成纳米管的错误印象。本章的讨论仅是一个简要的概括,并不构成后面章节的基础。如果读者想要了解更加详细的技术资料,可以阅读最近的综合性评论,如Avouris等的综述Ph.Avouris, Z.Chen and V.Perebeinos, Carbon?based electronics.Nat.Nanotechnol., 2 (2007) 605?15?。
  1?2碳管的曲折发展简史
  碳纳米管的发现,更贴切地说是“偶然合成”,经历了一段稍微曲折的探索过程。在讲述下面的故事之前,读者应该意识到,天然的碳纳米管也许一直都处在某些我们未曾探索到的地方。只是那些地方(如果存在的话)还未被人类发现,或者至少可以说是没有人主动去找过。或者,长期以来,碳纳米管很可能已被人类不经意地制造出来。其中一个例子就是印度科学家曾经在一篇有趣的论文中报道,通过氧化一种特制的碳灰可以合成碳纳米管,这种碳灰名叫“kajal”,在南非普遍存在,曾在公元前8世纪用于眼部的深黑色化妆P.Dubey, D.Muthukumaran, S.Dash, R.Mukhopadhyay and S.Sarkar, Synthesis and characterization of water?soluble carbon nanotubes from mustard soot.Pramana, 65 (2005) 687?97?。严谨起见,我们在这里所介绍的碳纳米管的历史仅限于那些有明确证据的人工合成纳米管。最终这些碳纳米管的起源与它的同胞“兄弟”——碳纳米纤维和发丝状细纤维的发展有着千丝万缕的联系。所有这三种细长结构的碳,包括碳纳米管、碳纳米纤维和碳细纤维,都可以简单地归类为纤维状碳。它们的尺度和形貌如图1?4所示。
  图1?4不同纤维状碳的形貌和典型直径
  从历史角度来说,碳纤维的有目的地合成可以追溯到托马斯·爱迪生的时代,也就是19世纪晚期用电发光的开始时期。当时这些材料作为灯丝被成功地应用于需求不断增长的商业化白炽灯中。事实上,早在1889年,两位英国科学家就在一篇公开发表的美国专利上详细阐述了碳纤维的合成细节,他们当时所用的方法正是今天众所周知的化学气相沉积法(CVD)。这篇专利的第一页如图1?5所示。
  图1?5Hughes和Chambers的专利发明首页:大气环境下,用CVD法在腔体内生长
  碳纤维或细碳丝的高温催化技术
  值得注意的是,这篇专利中所提到的利用铁作催化剂分解氢气和气态烃(甲烷和乙烯为首选)来生长碳纤维的方法,在经历了一个世纪的碳材料研究之后,仍然被人们当作生长纳米纤维和纳米管的最普遍的方法。专利中的亮点还包括:在生长开始前用来烘烤并清除潮湿气体的排气孔k,以及在高温生长过程中通过一个小开口(bx)控制气体流动的进气口c。碳纤维从铁质坩埚的底部和侧壁开始生长,可以填满5 in(1 in=2?54 cm)高的腔体,密度高,导电性好。专利未能明确指出铁扮演着催化剂这一重要角色。现在我们已经知道了,对于以甲烷为原料合成碳纤维而言,铁是一种高效催化剂。一系列黏土状的层状物质(f/h)被用来吸附反应过程中产生的气态副产物,这些副产物将在合成结束后被清除。从本质上来说,现在的CVD系统仍然采用这些步骤来合成纳米管,尤其是在石英腔体中把图案化的铁纳米粒子放在一个基底上来实现碳纳米管的定向生长。
  随着20世纪30年代电子显微镜技术的发展,科学家拥有了一种崭新的、极其有用(同时也很昂贵)的工具。他们立即开始更加仔细地观察自然界中存在的不同尺度结构的特征,而这在以前是无法实现的光学显微镜可以放大1000倍,而电子显微镜却可以放大到上百万倍,达到亚纳米尺度的水平。。1952年,俄罗斯科学家报道了一系列在400~700℃的条件下,通过铁催化裂解一氧化碳来合成纤维状碳结构的有趣的透射电子显微(TEM)图像L.V.Radushkevich and V.M.Lukyanovich, O strukture ugleroda, obrazujucegosja pri termiceskom razlozenii okisi ugleroda na zeleznom kontakte (On the structure of carbon formed by the thermal decomposition of carbon monoxide to the contact with iron).Zh.Fis.Khim.(Russ.J.Phys.Chem.), 26 (1952) 88?95?。这些TEM图像(图1?6)图1?6Radushkevich和Lukyanovich发表于1952年的文章中的多壁碳纳米管TEM图像⑤。
  上下两条多壁碳管的直径分别为50 nm和100 nm
  
  被认为是历史上第一次在众多的丝状和无定形碳产物中显示出什么是多壁碳纳米管(现在的叫法)。他们认识到铁在辅助生长管状碳中的催化作用,同时也讨论了首先在管的底端形成铁的碳化物,然后再生长碳纤维的机理,这种理论今天已经被大家广泛接受。也许是因为冷战时期知识传播比较困难,英国材料学家(很显然事先不知道俄罗斯科学家的论文)于一年之后独立宣布,在铁存在的条件下,在一氧化碳的热分解过程中观察到同样的结果W.R.Davis, R.J.Slawson and G.R.Rigby, An unusual form of carbon.Nature, 171 (1953) 756?。他们这一工作起初的动机是搞清楚鼓风炉中陶瓷砖块退化瓦解的过程。鼓风炉通常用于工业炼铁,而陶瓷砖则用作高炉的内衬。无定形碳和纤维状碳在陶瓷砖表面的沉积是完全不利的,因为这会破坏砖的完整性,产生一系列严重的可靠性问题。这一度成为他们要解决的主要问题。他们还推测,在普通家庭的烟囱中也存在着同样的碳纤维,因为这些烟囱里发生着同样的反应过程。由此可见,这种无意识的碳纤维和碳管的产生过程可能已经有了相当长的历史,至少可以说,从有烟囱的时代就开始了。这是我们把科学研究聚焦到碳形态学上来的另一个原因。
  受到俄罗斯和英国研究者的启发,Hofer随后提出,可以用钴或者镍代替铁来作为生长碳纤维的催化剂,并且于1955年成功地用钴或者镍重复实现了以一氧化碳为原料生长碳纤维的过程L.J.E.Hofer, E.Sterling and J.T.McCartney, Structure of the carbon deposited from carbon monoxide on iron, cobalt and nickel.J.Phys.Chem., 59 (1955) 1153?5?。
  目前,电子显微镜已经成为表征不同碳纤维形貌必不可少的工具。电子显微镜使这些结构特征清晰可见,从而使科学家对此重新产生了浓厚的兴趣。然而,到了1910年,钨作为灯丝大量取代了碳丝值得注意的是,在一个世纪之后的今天,钨丝依然是白炽灯丝材料的最佳选择。,在这样的时代背景下,碳纤维的工业化应用曾一度停止。幸运的是,这一切都在20世纪60年代发生了改变,这在很大程度上是由于Roger Bacon的开创性工作。Roger Bacon,一位美国科学家,当时供职于一个叫作“国家碳公司”的地方,而这家公司,从名字上就可以看出,是研究碳材料应用的公司。在使用弧光放电炉于极端条件(接近三相点:3900 K,92 atm。1 atm=1?013 25×105 Pa)下研究石墨的特性时,他发现所形成的碳纳米纤维与以前观察到的形貌尽管很相似但却有所不同R.Bacon, Growth, structure, and properties of graphite whiskers, J.Appl.Phys., 31 (1960) 283?90?。TEM图像显示,与多壁碳纳米管很相似,所得到的碳纳米纤维由多层同轴圆柱体组成,但是这种圆柱体的管长与直径有依赖关系,直径从亚微米到大于5 mm。由此,Roger Bacon提出了一种碳纤维的卷曲模型。随后其他人的工作表明,碳纤维可能有一种类似于堆叠圆锥的形貌(类似堆叠的纸杯),看起来像是纸卷的结构一个典型的例子是:M.Endo et al., Pyrolytic carbon nanotubes from vapor?grown carbon fibers. Carbon, 33 (1995) 873?81?,如图1?7所示。
  图1?7碳纳米纤维的形貌。(a)Roger Bacon提出的卷曲模型⑨;(b)高分辨TEM图像,
  显示出一根纳米纤维的多壁同轴空心结构⑩
  Roger Bacon继续优化生长条件,得到了更高质量的多晶碳纤维。这种碳纤维材料具有极佳的机械特性(杨氏模量为700 GPa,拉伸强度为20 GPa),显著高于钢的性能(杨氏模量为200 GPa,拉伸强度为1~2 GPa),同时也具备室温下与石墨相媲美的导电性能(电阻65 μΩ)⑨。在随后的十年里,商业化碳纤维的技术获得了重要的发展。例如,1970年前后公开发表了好几篇高知名度的有关碳纤维优异性能和新兴应用的综述New Materials make their mark.Nature, 219 (1968) 875; R.W.Chan and B.Harris, Newer forms of carbon and their uses.Nature, 221 (1969) 132?41; and R.Jeffries, Prospects for carbon fibres.Nature, 232 (1971) 304?7?。如果我们把碳纤维在灯泡中的应用推动下的19世纪晚期作为它的生日,那么,20世纪60年代就是新应用驱动下的碳纤维技术的“第一次复兴”(很快会提到第二次复兴)。碳纤维的新兴应用主要是基于利用其机械特性(强度、硬度和轻便)和高温特性来制造复合材料(加固塑料、金属、玻璃等)。这些复合材料可以满足特定的工业化需求,被广泛应用于各个领域,包括航空航天和汽车制造工业,可以作为外壳组件和发动机材料。制备纤维碳再一次成为具有商业前景的大产业。为了挖掘碳纤维的全部商业潜力,在接下来的几十年里,人们在这个领域进行了很多探索来降低纤维碳的成本,提高其产率。
  沿着这一思路,Morinobu Endo,当时还是一名日本研究生,在19世纪70年代早期开始用不同的方法研究如何制备更低成本的碳纤维。当时由于不断增长的商业需求,各种各样的制备技术已经发展起来。在法国做访问学者期间,他继续探索用苯和氢气作碳源在基底上生长碳纤维的条件,并偶然间发现了单壁和多壁碳纳米管(图1?8)。为了提高CVD系统的利用效率,他加快了基底再次使用之前的清洁过程,一个完全偶然的机会,他再一次发现了中空的碳管。这个过程就像在烤炉中用平锅烤面包一样,每次烤完面包之后,总要把平锅从烤炉中取出来清洁,以便进行下一次烘烤。如果每次清洁平锅的时间过长,那么在一定时间内烤出的面包数量就会减少。Morinobu Endo为了提高实验重复次数,渴望缩减基底的清洁时间(通常需要两天半)。在用砂纸简单清洁完变黑的基底之后,他发现在1100℃的条件下基底上面生长出被他认为是“空心管”的东西(也就是今天我们所说的碳纳米管)。这些空心管的生成实际上是因为无意间留在砂纸基底上的铁颗粒的催化作用Morinobu Endo的法国导师(Agnes Oberlin教授)给了他很大的启发:“要看到那里到底是什么,而不是仅仅选择看见那些你喜欢的。”。由于没有意识到Raduskevich和Lukyanovich的先期工作⑤,Endo和他的合作者通过大量工作详细阐明了铁的催化角色,空心管的晶体结构以及这些长管的同轴壳层结构,甚至还第一次报道了单壳层空心管的TEM图像[图1?8(b)]A.Oberlin, M.Endo and T.Koyama, Filamentous growth of carbon through benzene decomposition.J.Cryst.Growth, 32 (1976) 335?49?。单壁碳纳米管仅仅激起他们短暂的好奇心,这种好奇心没过多久就被遗忘了,因为他们对如何生长出能工业化应用的碳纤维复合材料更感兴趣。他们并没有研究这种碳纳米管是否能产生新的非机械特性,如电学、光学和传感特性等。因此,碳纤维材料的第二次复兴不得不向后推迟了15年。
  图1?81976年获得的多壁和单壁碳纳米管的电子显微镜照片。(a)被认为是多壁碳纳米管的带有空心结构的直径为70 nm的厚纳米管;(b)箭头所指处是直径为4 nm的单壁
  碳纳米管截面
  1985年,Kroto、Curl、Smalley和他们的合作者在得克萨斯的莱斯大学报道了一个重大突破:他们第一次在实验上发现了一种称为C60(又被称作“巴基球”或“buckminster富勒烯”,源自人名Richard Buckminster,此人是美国著名的网格球顶建筑师)的零维材料,一种全新的碳的同素异形体H.W.Kroto, J.R.Heath, S.C.O’Brien, R.F.Curl and R.E.Smalley, C60: Buckminsterfullerene.Nature, 318 (1985) 162?3?Kroto, Curl和Smalley于1996年获得诺贝尔化学奖。由于诺贝尔奖限制最多只能有三个获奖人,因此他们的学生合作者(Heath和O’Brien)没能分享这一奖项。。这次发现完全是一次意外,科学家原本只是想通过实验来模拟巨型恒星和星际空间中发生碳元素聚集和形成的条件,结果他们发现了像足球一样的C60。图1?9C60(巴基球)的球棍模型。球代
  表碳原子,棍代表碳原子之间的化学键事实上,在这篇具有里程碑意义的论文中,作者就是通过画出的一个足球来说明C60的几何结构的。图1?9给出了C60的球棍模型。这次发现使人们将注意力重新转移到低维晶态的碳同素异形体上,并且预测单壁碳纳米管将于20世纪80年代末被发现(早期报道的单壁和多壁碳空心管的图像已经在很大程度上被忽视了)M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus, and Ph.Avouris (editors), Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications (Springer?Verlag, 2001), Chapter 1?。

TOP 其它信息

装  帧:精装

页  数:232

纸  张:胶版纸

加载页面用时:171.875
关闭