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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 C60 30

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OTFT 65

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Ch 80

4.1.2 平移矢量T 81

4.1.3 对称矢量R 82

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-FET 298

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SEM 458

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