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[资源] 2014年新著——石墨烯:凝聚态物质和器件中的新范例(英文版)

E. L. Wolf, "Graphene: A New Paradigm in Condensed Matter and Device Physics"
2014 | ISBN-10: 0199645868 | 320 pages | PDF | 6,7 MB

The book is an introduction to the science and possible applications of Graphene, the first one-atom-thick crystalline form of matter. Discovered in 2004 by now Nobelists Geim and Novoselov, the single layer of graphite, a hexagonal network of carbon atoms, has astonishing electrical and mechanical properties. It supports the highest electrical current density of any material, far exceeding metals copper and silver. Its absolute minimum thickness, 0.34 nanometers, provides an inherent advantage in possible forms of digital electronics past the era of Moore's Law.

The book describes the unusual physics of the material, that it offers linear rather than parabolic energy bands. The Dirac-like electron energy bands lead to high constant carrier speed, similar to light photons. The lattice symmetry further implies a two-component wave-function, which has a practical effect of cancelling direct backscattering of carriers. The resulting high carrier mobility allows observation of the Quantum Hall Effect at room temperature, unique to Graphene. The material is two-dimensional, but in sizes micrometers nearly to meters displays great tensile strength but vanishing resistance to bending.

The book reviews theoretical predictions of excessive atomic vibrational motion, tied to the dimensionality. As explained, these predictions seem not of practical consequence, and such effects are unobservable in samples up to nearly one meter size. The disintegration temperature of this refractory material is estimated as 4900K, certainly higher than the measured sublimation temperature of graphite, 3900K. As explained, applications of Graphene come in classes that range from additives to composite materials to field effect transistor elements capable of extremely high frequency operation. The classes of applications correlate with differing methods of fabrication, from inexpensive chemical exfoliations of graphite, to chemical vapour deposition on catalytic substrates as Cu and Ni, at temperatures around 1300K. The book reviews potential applications within existing electronics, to include interconnect wires, flash-memory elements, and high frequency field effect transistors. The chance to supplant the dominant CMOS family of silicon logic devices is assessed.
Contents
1  Introduction                                                                                    
              1
1.1    “Crystals” one atom thick: a new paradigm                                                   
  1
1.2    Roles of symmetry and topology                                                               
         7
1.2.1  Linear bands,  “massless Dirac”  particles                                            7
1.2.2  “Pseudo-spins” from dual sublattices and helicity                               11
1.3    Analogies to relativistic physics  backed  by experiment                              14
1.4    Possibility of carbon  ring electronics                                                      
          17
1.5    Nobel Prize  in Physics  in 2010 to  Andre  K.  Geim
and Konstantin S. Novoselov                                                                        
   17
1.6    Perspective, scope and organization                                                         
       18
2  Physics in  two dimensions (2D)                                                               20
2.1    Introduction                                                                                 
                        20
2.2    2D electrons  on liquid helium and in semiconductors                                 21
2.3    The quantum  Hall effect, unique to 2D                                                        
  24
2.3.1  Hall effect at low magnetic  field                                                            
25
2.3.2  High field effects                                                                             
          27
2.3.3  von Klitzing’s discovery of the quantized  Hall effect                           28
2.4    Formal  theorems  on 2D long-range order                                                     
   32
2.4.1  Absolute  vs. relative thermal  motions in 2D                                       32
2.4.2  The Hohenberg–Landau–Mermin–Peierls–Wagner Theorem              38
2.4.3  2D vs. 2D embedded  in 3D                                                                    
39
2.4.4  Soft membrane,  crumpling  instability                                              40
2.5    Predictions against  growth of 2D crystals                                                44
2.6    “Artificial” methods for creating  2D crystals                                           45
2.7    Elastic  behavior  of thin plates  and ribbons                                               
      45
2.7.1  Strain  Nomenclature  and Energies                                                        47
2.7.2  Curvature and Gaussian  curvature                                                 49
2.7.3  Isometric  distortions  of a soft inextensible membrane                         50
2.7.4  Vibrations and waves  on elastic  sheets  and ribbons  of graphene       51
2.7.5  An excursion  into one dimension                                                           
55
3  Carbon in  atomic, molecular and  crystalline (3D and  2D)
forms                                                                                               
                                57
3.1    Atomic carbon  C: (1s)2 (2s)2 (2p)2                                                         
                               57
3.1.1. Wavefunctions for principal  quantum  numbers
n = 1 and n = 2                                                                    58
3.1.2  Linear combinations  of n = 2 wavefunctions
3.1.2  Linear combinations  of n = 2 wavefunctions
3.1.3  Two-electron  states  as relevant to covalent  bonding                           61
3.1.4  Pauli  principle  and filled states  of the carbon  atom                            61
3.2    Molecular  carbon:  CH4, C6 H6 , C60                                                         
                            63
3.2.1  Covalent  bonding in simple molecules                                                   63
3.2.2  Methane CH4 : tetrahedral bonding                                                      67
3.2.3  Benzene C6 H6 : sp2  and π bonding                                                       68
3.2.4  Fullerene  C60                                                                              
                                         81
3.2.5  Graphane  and Fluorographene                                                           82
3.3    Crystals: diamond  and graphite                                                              
          83
3.3.1  Mined graphite                                                                              
           83
3.3.2  Synthetic  “Kish” graphite                                                                  
    83
3.3.3  Synthetic  HOPG: Highly Oriented Pyrolytic Graphite                       84
4  Electron bands of graphene                                                                       
86
4.1    Semimetal  vs. conductor  of relativistic electrons                                          
  86
4.2    Linear bands  of Wallace  and the anomalous  neutral  point                           90
4.2.1  Pseudo-spin  wavefunction                                                                  
90
4.3    L. Pauling:  graphene  lattice  with “1/3  double-bond character”                92
4.4    McClure: diamagnetism and zero-energy  Landau  level                                 92
4.5    Fermi level manipulation by chemical  doping                                                
93
4.6    Bilayer  graphene                                                                           
                     93
5  Sources and  forms  of graphene                                                                  
98
5.1    Graphene single-crystals, flakes and cloths                                                   
  98
5.1.1  Micro-mechanically cleaved  graphite                                                      98
5.1.2  Chemically  and liquid-exfoliated graphite  flakes                                101
5.2    Epitaxially and catalytically grown crystal layers                                       
108
5.2.1  Epitaxial growth on SiC: Si face vs. C face                                        109
5.2.2  Catalytic growth on Ni or Cu, with transfer                                       112
5.2.3  Large area  roll-to-roll production  of graphene                                    114
5.2.4  Grain structure of CVD graphene  films                                              115
5.2.5  Hybrid boron-carbon-nitrogen  BCN films                                          118
5.2.6  Atomic layer  deposition                                                                     
    120
5.3    Graphene nanoribbons                                                                        
       121
5.3.1  Zigzag and armchair  terminations                                                   122
5.3.2  Energy gap at small ribbon width, transistor dynamic  range          123
5.3.3  Chemical synthesis  of perfect  armchair  nanoribbons                       125
6  Experimental probes of graphene                                                            128
6.1    Transport, angle-resolved  photoemission  spectroscopy                             128
6.2    Optical,  Raman  effect, thermal  conductivity                                           129
6.3    Scanning  tunneling  spectroscopy and potentiometry                                132
6.4    Capacitance spectroscopy                                                                     
    133
6.5    Inverse  compressibility  with  scanning  single
electron  transistor (SSET)                                                                        
     136
7  Mechanical and  physical properties of graphene                                   139
7.1    Experimental aspects  of 2D graphene  crystals                                        139
7.1.1  Classical  (extrinsic) origin of ripples  and  wrinkles
in monolayer  graphene                                                                           
141
7.1.2  Stability of graphene  in supported  samples  up to 30 inches            146
7.1.3  Phonon dispersion  in graphene                                                            
150
7.1.4  Experimental evidence  of nanoscale  roughness                                   158
7.1.5  Electrical  conductivity of graphene  in experiment                          164
7.2    Theoretical  approaches to “intrinsic corrugations”                                  169
7.3    Impermeable  even to helium                                                                  
         176
7.4    Nanoelectromechanical resonators                                                            
178
7.5    Metal-insulator Mott–Anderson  transition in ultrapure
screened  graphene                                                                                 
           179
7.6    Absence of “intrinsic ripples” and “minimum  conductivity”
in graphene                                                                                         
               183
8  Anomalous properties of graphene                                                          185
8.1    Sublimation  of graphite  and “melting” of graphene                                     185
8.2    Electron  and  hole puddles,  electrostatic doping and  the
“minimum  conductivity”                                                                         191
8.3    Giant non-locality  in transport                                                            
   193
8.4    Anomalous  integer  and fractional  quantum  Hall effects                              197
8.5    Absence of backscattering, carrier  mobility                                                
  199
8.6    Proposed  nematic  phase transition in bilayer  graphene                              202
8.7    Klein tunneling,  Dirac equation                                                            
         204
8.8    Superconducting proximity effect,  graphene  Josephson
junction                                                                                            
                  213
8.9    Quasi-Rydberg impurity  states; Zitterbewegung                                          219
9  Applications of graphene                                                                        
  223
9.1    Transistor-like devices                                                                     
                224
9.1.1  High-frequency FET transistors                                                      225
9.1.2  Vertically configured  graphene  tunneling  FET devices                     231
9.1.3  The graphene  Barristor, a solid state  triode device                           237
9.2    Phototransistors, optical  detectors  and modulators                                     237
9.3    Wide area  conductors, interconnects, solar  cells,  Li-ion
batteries and hydrogen  storage                                                                     
  244
9.3.1  Interconnects                                                                                
      248
9.3.2  Hydrogen storage,  supercapacitors                                                  249
9.4    Spintronic  applications of graphene                                                         
      251
9.5    Sensors of single molecules,  “electronic nose”                                             
254
9.6    Metrology,  resistance standard                                                              
   255
9.7    Memory elements                                                                              
                255
9.8    Prospects for graphene  in new digital  electronics  beyond
CMOS                                                                                                
               257
9.8.1  Optimizing silicon FET switches                                                          257

9.8.2  Potentially manufacturable graphene  FET  devices                           263
9.8.3  Tunneling  FET  devices                                                                     
    264
9.8.4  Manufacturable graphene  tunneling FET  devices                              266

10   Summary and  assessment                                                                        
270

References                                                                                          
               275

Author Index                                                                                       
            296

Sub ject  Index                                                                                    
              3012014年新著——石墨烯:凝聚态物质和器件中的新范例(英文版)
2014 | ISBN-10: 0199645868 | 320 pages | PDF | 6,7 MB
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  • 2014-04-10 09:40:00, 6.64 M

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127楼2014-05-07 08:57:05
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2013年新著——石墨烯研究的新进展(英文版)
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2013年新著——碳纳米管的物理和化学性能(英文版)
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=5549538
分享——碳纳米管科学:合成、性能与应用(第二版)(英文版)
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=5515886
2012年新著——纳米线:进展(英文版)
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=5330619
2012年新著——材料科学中纳米凹口(英文版)
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2012年新著——纳米材料(英文版)
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2012年新著——纳米加工(英文版)
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2012年新著——Nanorods
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2012年新著——纳米复合物:新趋势与发展(英文版)
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2012年新著——纳米晶体(英文版)
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2012年新著——纳米药物中的高分子(英文版)
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2012年新著——分子动力学:理论发展和在纳米科技和能源中的应用(英文版)
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2012年新著——Macro To Nano Spectroscopy
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2012年新著——纳米颗粒的缓释(英文版)
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2012年新著——智能纳米颗粒技术(英文版)
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2012年新著——微乳液-性能和应用介绍(英文版)
http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=4596571
分享------Advances in Polyolefin Nanocomposites
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分享———Multifunctional Polymer Nanocomposites
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阻燃新著——Thermally Stable and Flame Retardant Polymer Nanocomposites
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纳米科技和纳米材料电子书合集
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分享——碳纳米管及其结构:21世纪的新材料(英文版)
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2013年新著——纳米纤维进展(英文版)
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分享——Dai Liming碳纳米技术:化学、物理、材料科学和器件应用中的进展(英文版)
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分享——石墨烯:合成与应用(英文版)
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分享——纳米时代:纳米科技如何改变我们的未来(英文版)
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2014年新著——石墨烯物理(英文版)
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2013年新著——石墨烯的物理与化学(英文版)
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分享——碳纳米管及其相关结构:合成、表征、功能化与应用(英文版)
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2014年新著——石墨烯应用:概论(英文版)
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2014年新著——石墨烯:制备、表征与器件(英文版)
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2013年新著——碳先进材料科学与工程(英文版)
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