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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