1 石墨烯材料简介 1
1.1 石墨烯材料的起源及分类 1
1.1.1 石墨烯材料的起源 1
1.1.2 石墨烯材料的分类 4
1.2 石墨烯材料的基本性质 7
1.2.1 石墨烯的力学性质 7
1.2.2 石墨烯的光学性质 8
1.2.3 石墨烯的化学性质 8
1.2.4 石墨烯的导电性 9
1.2.5 石墨烯的导热性 10
1.2.6 石墨烯的阻隔性 10
1.3 石墨烯材料的制备方法简介 11
1.3.1 机械剥离法 11
1.3.2 外延生长法 13
1.3.3 氧化还原法 14
1.3.4 溶剂热法 19
1.3.5 有机合成法 20
1.3.6 化学气相沉积法 21
1.3.7 电弧放电法 24
1.3.8 等离子增强合成法 25
1.3.9 火焰法 27
参考文献 29
2 石墨烯的结构和晶体结合 35
2.1 石墨烯的结构和显微形貌以及电子结构 35
2.1.1 石墨烯的晶体结构 35
2.1.2 石墨烯的电子结构 36
2.1.3 多层石墨烯的晶体结构和电子结构 38
2.2 石墨烯的晶体结合 41
2.2.1 石墨烯的原子相互作用能 41
2.2.2 石墨烯的结合能 42
2.2.3 温度对石墨烯原子相互作用能的影响 43
2.3 石墨烯与吸附原子的结合 44
2.3.1 石墨烯的吸附模型 45
2.3.2 吸附引起的石墨烯态密度的改变 46
2.3.3 吸附原子性质对石墨烯吸附系统结合强弱的影响 48
2.3.4 吸附原子覆盖度随温度的变化 49
2.4 石墨烯与吸附原子的键能随温度的变化 51
2.4.1 石墨烯与吸附原子之间的相互作用能 51
2.4.2 吸附原子性质对石墨烯与吸附原子键能的影响 52
2.4.3 温度对吸附键能的影响 55
参考文献 56
3 非简谐效应理论及其在晶体热学性质上的应用 57
3.1 非简谐效应理论的有关概念和基本方法 57
3.1.1 简谐近似与非简谐效应的概念 57
3.1.2 描述非简谐效应的特征量 58
3.1.3 非简谐效应理论的基本观点和基本方程 61
3.1.4 非简谐效应理论研究问题的方法 62
3.2 三维晶体的物理模型和声子谱 62
3.2.1 三维晶体的物理模型 63
3.2.2 三维晶体的声子谱 64
3.2.3 德拜温度和格林乃森参量与简谐系数和非简谐系数的关系 66
3.3 三维晶体热力学性质的非简谐效应 67
3.3.1 简谐近似下三维晶体的热力学性质 68
3.3.2 三维晶体的热膨胀、热压强、压缩系数随温度的变化 69
3.3.3 三维晶体的定容热容量随温度的变化 71
3.3.4 三维晶体的热导率随温度的变化 73
3.4 非简谐振动对二维系统的临界点与玻意耳线的影响 75
3.4.1 Collins模型 75
3.4.2 二维系统的吉布斯函数 76
3.4.3 二维系统的状态方程和临界点 78
3.4.4 非简谐振动对玻意耳温度和玻意耳线的影响 79
3.5 二维晶体热力学性质的非简谐效应 82
3.5.1 简谐近似下二维晶体的热力学函数 82
3.5.2 简谐近似下二维晶格热容理论 83
3.5.3 非简谐振动对二维二元系统溶解限曲线的影响 85
3.5.4 二维晶体的定压热膨胀系数和等温压缩系数 87
3.6 纳米晶热力学性质的非简谐效应 88
3.6.1 纳米晶的物理模型以及简谐系数和非简谐系数 88
3.6.2 直角六面体型纳米晶的德拜温度和格林乃森参量 90
3.6.3 直角六面体型纳米晶的热膨胀系数 91
3.6.4 直角六面体型纳米晶的定容热容量以及热导率 92
3.6.5 直角六面体型纳米晶的表面能 95
3.6.6 非简谐振动对球状纳米晶表面能的影响 96
3.7 非简谐效应理论的其他应用 98
3.7.1 激光辐照金属板材的物理模型 98
3.7.2 激光辐照下金属板材的温度分布和升温率 100
3.7.3 激光辐照金属板材非简谐效应 101
3.7.4 温度对光学微腔光子激子系统玻色凝聚的影响 104
参考文献 110
4 石墨烯热力学性质的非简谐效应 113
4.1 石墨烯声子的性质 113
4.1.1 几种低维晶格模型的声子谱 113
4.1.2 石墨烯的声子谱 115
4.1.3 石墨烯的声子频率随温度的变化 115
4.1.4 石墨烯声子的弛豫时间 118
4.2 石墨烯的格林乃森参量和德拜温度随温度的变化 122
4.2.1 石墨烯的原子相互作用和简谐系数、非简谐系数 122
4.2.2 石墨烯的德拜温度随温度的变化 123
4.2.3 石墨烯的格林乃森参量随温度的变化 124
4.3 石墨烯的热容量和热导率随温度的变化 126
4.3.1 石墨烯热容量的物理模型 126
4.3.2 石墨烯的热容量随温度的变化 127
4.3.3 石墨烯的热导率随温度的变化 128
4.4 石墨烯的负热膨胀现象 130
4.4.1 石墨烯负热膨胀现象的发现 131
4.4.2 非低温石墨烯热膨胀系数随温度的变化 131
4.4.3 石墨烯低温热膨胀系数随温度的变化 132
4.5 石墨烯力学性质的非简谐效应 137
4.5.1 Keating形变势下的弹性模量 137
4.5.2 Davydov模型下单层石墨烯的弹性 139
4.5.3 Davydov石墨烯形变势模型下的弹性 141
4.5.4 点缺陷型下石墨烯的弹性模型 146
参考文献 150
5 石墨烯电学性质的非简谐效应 153
5.1 三维晶体的电导率随温度的变化 153
5.1.1 三维导体的电子电导率随温度的变化 153
5.1.2 三维半导体的电导率随温度的变化 157
5.1.3 原子非简谐振动对晶体电导率的影响 161
5.2 导体和半导体的态密度以及能带结构 162
5.2.1 三维导体电子的态密度和能带结构 163
5.2.2 三维半导体带电粒子的态密度和能带结构 165
5.2.3 二维晶体带电粒子的态密度和能带结构 166
5.3 石墨烯的能带结构和能态密度 168
5.3.1 无缺陷单层石墨烯电子的能带结构 168
5.3.2 缺陷型石墨烯的电子能带结构 170
5.3.3 单层石墨烯电子的能态密度 171
5.3.4 石墨烯吸附原子的局域态密度 172
5.3.5 吸附对石墨烯态密度的影响 175
5.4 石墨烯吸附系统的电荷分布 176
5.4.1 吸附原子的键能 177
5.4.2 吸附原子的电荷分布 178
5.4.3 吸附原子的性质对电荷分布的影响 181
5.5 原子非简谐振动对石墨烯吸附系统电荷分布的影响 183
5.5.1 石墨烯吸附系统电荷分布随吸附原子位置的变化 183
5.5.2 原子非简谐振动对吸附原子电荷分布的影响 185
5.6 石墨烯的费米速度和电导率 188
5.6.1 石墨烯电子的费米速度和费米能 188
5.6.2 石墨烯的电子电导率 189
5.6.3 电子-声子互作用对石墨烯电导率的影响 192
5.6.4 空位缺陷对石墨烯电导率的影响 193
5.7 石墨烯电极材料比电容的量子极限 194
5.7.1 石墨烯电极材料比电容的影响因素 195
5.7.2 材料性质和温度对石墨烯电极材料比电容的影响 196
5.7.3 量子效应对石墨烯电极材料比电容的贡献 197
参考文献 201
6 外延石墨烯的热学和电学性质 203
6.1 外延石墨烯的制备与分类 203
6.1.1 外延石墨烯的概念和分类 203
6.1.2 外延石墨烯的制备 204
6.2 外延石墨烯电子能态密度 209
6.2.1 基底的态密度 209
6.2.2 含缺陷的金属基外延石墨烯的态密度 210
6.2.3 含缺陷的半导体基外延石墨烯的态密度 215
6.2.4 半导体膜外延石墨烯的态密度 217
6.3 外延石墨烯的费米速度 218
6.3.1 零温情况外延石墨烯的电子费米速度 218
6.3.2 金属基外延石墨烯的费米速度随温度和费米能的变化 220
6.3.3 半导体基外延石墨烯的费米速度 222
6.3.4 空位缺陷对金属基外延石墨烯的费米速度的影响 223
6.4 外延石墨烯的电导率 224
6.4.1 金属基外延石墨烯的电导率 224
6.4.2 半导体基外延石墨烯的电导率随温度的变化 229
6.4.3 吸附对半导体基外延石墨烯电导率的影响 231
6.4.4 空位缺陷对金属基外延石墨烯电导率的影响 232
6.5 外延石墨烯热力学性质的非简谐效应 233
6.5.1 外延石墨烯原子振动的简谐系数和非简谐系数 233
6.5.2 外延石墨烯的格林乃森参量和德拜温度 237
6.5.3 外延石墨烯的热膨胀系数和弹性模量随温度的变化 238
参考文献 239
7 类石墨烯热学和电学性质的非简谐效应 241
7.1 类石墨烯的原子相互作用能和内聚能 241
7.1.1 类石墨烯的概念和分类 241
7.1.2 类石墨烯的原子相互作用能 242
7.1.3 类石墨烯的内聚能 245
7.2 类石墨烯电子能态密度 247
7.2.1 单层化合物AN-B8-N型类石墨烯的态密度 247
7.2.2 金属基外延类石墨烯态密度 251
7.2.3 金属基外延类石墨烯吸附系统的态密度 253
7.2.4 金属基外延类石墨烯的电荷分布 253
7.3 类石墨烯热力学性质的非简谐效应 254
7.3.1 类石墨烯的简谐系数与非简谐系数 254
7.3.2 类石墨烯的热膨胀系数和格林乃森参量随温度的变化 257
7.3.3 类石墨烯的德拜温度和热容量随温度的变化 260
7.3.4 短程作用对类石墨烯热力学性质的影响 262
7.4 类石墨烯的弹性与形变以及有效电荷 265
7.4.1 类石墨烯的弹性模量 265
7.4.2 类石墨烯的形变 267
7.4.3 形变对类石墨烯极性的影响 268
7.4.4 形变对类石墨烯有效电荷的影响 270
7.5 类石墨烯的介电性质 274
7.5.1 类石墨烯的极化率 274
7.5.2 类石墨烯的介电常数随化合物的变化 277
7.5.3 类石墨烯的介电常数随温度的变化 278
参考文献 280
8 石墨烯热电效应及其应用 281
8.1 热电效应分类及其热电现象的热力学理论 281
8.1.1 热电效应的有关概念和分类 281
8.1.2 热电现象的热力学理论 283
8.1.3 热电系数的计算公式 287
8.2 石墨烯热电效应 288
8.2.1 石墨烯热电性能概述 288
8.2.2 石墨烯热电效应的研究进展 289
8.2.3 进一步提高石墨烯热电性能的途径 291
8.3 半导体基外延石墨烯热电效应的奇异现象 292
8.3.1 石墨烯热电效应奇异性的发现 293
8.3.2 外延石墨烯的热电系数 294
8.3.3 半导体基外延石墨烯的热电势 296
8.3.4 杂化势随温度的变化和非简谐振动对热电势的影响 299
8.3.5 半导体薄膜基外延石墨烯的热电势 301
8.4 金属基外延石墨烯热电效应的奇异现象 303
8.4.1 金属块体基外延石墨烯的热电势 303
8.4.2 金属薄膜基外延石墨烯的热电势 304
8.4.3 声子拖拽对外延石墨烯热电势的贡献 306
8.5 石墨烯热电性能的应用 308
8.5.1 石墨烯热电性能在新型环境响应材料上的应用 308
8.5.2 石墨烯热电性能在热电器件上的应用 313
8.5.3 石墨烯热电性能在光电探测器上的应用 315
参考文献 317
附录 320