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[资源] 2013年新著——石墨烯的物理与化学(英文版)

Toshiaki Enoki, ‎Tsuneya Ando - Physics and Chemistry of Graphene: Graphene to Nanographene
Published: 2013-01-24 | ISBN: 9814241482 | PDF | 476 pages | 33 MB


From a chemistry aspect, graphene is the extrapolated extreme of condensed polycyclic hydrocarbon molecules to infinite size. Here, the concept on aromaticity which organic chemists utilize is applicable. Interesting issues appearing between physics and chemistry are pronounced in nano-sized graphene (nanographene), as we recognize the importance of the shape of nanographene in understanding its electronic structure. In this book, the fundamental issues on the electronic, magnetic, and chemical properties of condensed polycyclic hyodrocarbon molecules, nanographene and graphene are comprehensively discussed.
Contents
Preface                                                                                             
                   xi


1   Introduction                                                                                    
          1


2   Theory of Electronic States and Transport in Graphene        9
Tsuneya Ando
2.1   Introduction                                                                                 
     9
2.2   Electronic States of Monolayer Graphene                              10
2.2.1   Massless Dirac Electron                                                  10
2.2.2   Berry’s Phase and Topological Anomaly                    15
2.2.3   Landau Levels in Magnetic Fields                                17
2.2.4   Effects of Bandgap Opening                                           19
2.3   Magnetic Properties                                                                      20
2.3.1   Singular Diamagnetism                                                   20
2.3.2   Effects of Bandgap Opening                                           23
2.3.3   Magnetic Screening and Mirroring                              25
2.4   Optical Properties                                                                          
28
2.5   Transport Properties                                                                    30
2.5.1   Boltzmann Conductivity                                                 30
2.5.2   Charged Impurities                                                          34
2.5.3   Self-Consistent Born Approximation and
Zero-Mode Anomalies                                                     36
2.5.4   Resonant Scattering by Lattice Defects                      43
2.5.5   Crossover between Localization and
Antilocalization                                                                 45
2.6   Phonons and Electron–Phonon Interaction                           49
2.6.1   Acoustic Phonon                                                                49
2.6.2   Optical Phonon                                                                  50
2.6.3   Zone-Boundary Phonon                                                  53
2.7   Bilayer Graphene                                                                           55
2.7.1   Electronic States                                                                55
2.7.2   Magnetic Properties                                                         60
2.7.3   Optical Properties                                                             61
2.7.4   Transport Properties                                                       66
2.7.5   Phonons and Electron–Phonon Interaction              71
2.8   Multilayer Graphene                                                                     74

3   Experimental Approaches to Graphene Electron
Transport for Device Applications                                                89
Akinobu Kanda
3.1   Introduction                                                                                 
  89
3.2   Formation of Graphene                                                                91
3.2.1   Scotch Tape Method                                                         94
3.2.2   Determination of the Number of Layers                    97
3.2.3   Other Techniques for Formation of
Graphene                                                                           106
3.2.3.1   Thermal decomposition of SiC                   107
3.2.3.2   Chemical vapor deposition on metallic substrates                                          
               109
3.3   Experiments on Transport Properties of Graphene for
Device Applications                                                                    111
3.3.1   Sample Geometries                                                        111
3.3.2   Gate Voltage Dependence of Conductance              118
3.3.3   Quantum Hall Effect                                                       131
3.3.4   Klein Tunneling                                                               134
3.3.5   Improving Mobility of Graphene                               135
3.3.5.1   Effect of phonon scattering                         135
3.3.5.2   Experimental techniques to improve mobility                                               
              143
3.3.6   Bandgap Engineering                                                    147
3.3.6.1   Graphene nanoribbons                                148
3.3.6.2   Bilayer graphene under perpendicular electric fields                                       
            157
3.3.6.3   Other methods for bandgap formation   162
3.3.7   Graphene Quantum Effect Devices: Mesoscopic
Electron Transport in Graphene                                163
3.3.8   Application to Chemical Sensors                               165
3.3.9   Graphene Spintronics                                                    167
3.3.9.1   Spintronics                                                       167
3.3.9.2   Experimental techniques for determining spin relaxation length of graphene               
                                           171
3.3.9.3   Experimental values vs. theoretical expectations of the spin relaxation
length                                                                 176
3.3.10 Cooper-Pair Transport                                                  178
3.3.10.1 Superconducting proximity effect             178
3.3.10.2 Josephson effect in single-layer
graphene: theoretical aspects                    179
3.3.10.3 Josephson effect in single-layer
graphene: experiments                                184
3.4   Summary                                                                                       
191

4   Electronic Properties of Nanographene                                  207
Katsunori Wakabayashi
4.1   Introduction                                                                                 
207
4.2   Electronic States of Graphene                                                  210
4.3   Graphene Nanoribbons and Edge States                              214
4.4   Energy Spectrum and Wave Functions: Tight-Binding
Model                                                                                             
222
4.4.1   Armchair Nanoribbons                                                 222
4.4.2   Zigzag Nanoribbons                                                       225
4.5   Energy Bandgap                                                                           232
4.5.1   Armchair Nanoribbons                                                 232
4.5.2   Zigzag Nanoribbons                                                       233
4.6   Energy Spectrum and Wave Function: Massless Dirac
Equation                                                                                         
234
4.6.1   Semi-Infinite Graphene Sheet with a Zigzag
Edge                                                                                    235
4.6.2   Zigzag Nanoribbons                                                       238
4.6.3   Armchair Nanoribbons                                                 240
4.7   Bearded Edges and Cove Edges                                               243
4.8   Electronic States in a Magnetic Field                                     247
4.8.1   Tight-Binding Model with Peierls Phase                 248
4.9   Orbital Diamagnetism and Pauli Paramagnetism              252
4.9.1   Orbital Magnetization and Susceptibility                252
4.9.2   Pauli Paramagnetism                                                    257
4.10 Magnetic Instability                                                                    259
4.10.1 Electric Field-Induced Half-Metallicity                    269
4.11 Electronic Transport Properties                                             272
4.11.1 One-Way Excess Channel System                               273
4.11.2 Perfectly Conducting Channel: Absence of
Anderson Localization                                                  277
4.12 Summary                                                                                       
280


5   Spin Structure of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons        289
Akihito Konishi and Takashi Kubo
5.1   Introduction                                                                                 
289
5.2   A Brief Introduction of PAHs                                                    290
5.2.1   Categories of Polycyclic Aromatic
Hydrocarbons                                                                  290
5.2.2   Brief History of Aromatic Sextet                                292
5.2.3   Clar Sextet in Relation to the Property of PAHs     294
5.3   Recent Advanced Studies on PAHs: Synthesis,
Property, and Application                                                         298
5.4   Electronic Structure of PAHs                                                    302
5.4.1   Effects of Edge Shapes on the Electronic
Structure of PAHs                                                           302
5.4.2   Prediction of the Spin Multiplicity in the
Ground State: Ovchinnikov Rule                                305
5.4.3   Non Kekule′ -Type PAHs                                                 308
5.4.4   Kekule′ -Type PAHs                                                          312
5.4.4.1   Theoretical treatment of singlet
biradical character                                         312
5.4.4.2   Linear system: quantum chemical prediction of spin structure in the
ground state                                                     313
5.4.4.3   Linear system: isolation and
characterization of large acenes                314
5.4.4.4   Two-dimensional system: quantum chemical prediction of spin structure
in the ground state                                         317
5.4.5   Detailed Discussion on Spin-Polarized State at
Zigzag Edges of Kekule′ -Type PAHs                            320
5.4.5.1   Synthesis of bisanthene and
teranthene                                                        323
5.4.5.2   Geometrical consideration of singlet biradical character                                 
       326
5.4.5.3   Singlet–triplet energy gap                           328
5.4.5.4   HOMO–LUMO energy gap                            329
5.4.5.5   Transition probability from S0 to S1
state                                                                    331
5.5   Highly Stable Antiferromagnetic PAHs                                 332
5.5.1   Molecular Design for Thermodynamically
Stabilized Antiferromagnetic Molecules                 332
5.5.2   Theoretical Assessment of Singlet Biradical
Character                                                                          333
5.5.3   Antiferromagnetic Couplings of Two Unpaired
Electrons                                                                           335
5.5.4   Coexistence of Intra- and Intermolecular
Antiferromagnetic Couplings                                      336
5.5.5   Non-Linear Optical Property                                      338
5.5.6   Experimental Estimation of the Amount of
Singlet Biradical Character                                          340
5.6   Concluding Remarks                                                                   340


6   Experimental Approach to Electronic and Magnetic
Properties of Nanographene                                                         353
Toshiaki Enoki
6.1   Introduction                                                                                 
353
6.2   Fabrication of Graphene Nanostructures                             355
6.2.1   Chemical Vapor Deposition                                         356
6.2.2   Graphene Oxides                                                             358
6.2.3   Unzipping of Carbon Nanotubes                                360
6.2.4   Heat-Induced Structural Changes                             360
6.2.5   Electron Beam Lithography and STM/AFM Lithography                                          
                           365
6.2.6   Chemical Reactions with Crystallographic
Selectivity                                                                         368

6.2.7   Bottom-Up Fabrication from Aromatic
Molecules                                                                          371
6.3   Electronic Structure of Nanographene and Graphene
Edges                                                                                               
373
6.3.1   Theoretical Background of the Edge State              373
6.3.2   Experimental Evidence of Edge States                     381
6.3.2.1   STM/STS observations                                 381
6.3.2.2   Angle-resolved photoemission
spectroscopy                                                   388
6.3.2.3   X-ray absorption spectroscopy                  391
6.3.2.4   Transmission electron microscopy           395
6.3.3   Electron Confinement and Gap Opening in
Nanographene                                                                 398
6.3.4   Electron Wave Interference: Theory and
Experiments                                                                     404
6.3.4.1   Raman spectra: G and D bands                  405
6.3.4.2   STM image of superlattice                           410
6.4   Magnetic Structures of Nanographene                                 412
6.4.1   Theoretical Background                                               412
6.4.2   Experiments on Magnetic Properties of
Edge-State Spins                                                             418
6.4.2.1   Edge-state spins in defects                          418
6.4.2.2   Edge-state spins in nanographene and nanographite                                         
          422
6.4.2.3   Interaction between edge-state spins and conduction π -electron carriers
(Kondo effect)                                                 427
6.5   Chemical Activity of Nanographene and Graphene
Edges                                                                                               
429
6.5.1   Stability and Chemical Activity of Graphene
Edges                                                                                  429
6.5.2   Interaction of Guest Molecules with
Nanographene                                                                 433
6.6   Summary                                                                                       
436

Index                                                                                               
                 4512013年新著——石墨烯的物理与化学(英文版)
Published: 2013-01-24 | ISBN: 9814241482 | PDF | 476 pages | 33 MB
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