本书为“低维材料与器件丛书”之一。低维材料是以至少一个方向上为原子到纳米尺度的量子点、纳米晶、纳米线、纳米管、石墨烯、石墨炔及其他二维材料等为基本单元构筑的新兴材料体系，是当前凝聚态物理和材料科学的研究前沿，蕴含着精妙的理论、奇特的结构、独特的性质和能源、信息、健康等领域的广阔应用。本书简要阐述了低维材料的理论基础；介绍了低维材料的结构特点、表征方法，以及自下而上制备与组装和自上而下加工的结构控制策略；考察了低维材料的力学、电学、磁学、热学、化学和光学性质，以及其维度、尺度和耦合效应；系统梳理了低维材料与器件的应用优势、现状和挑战；在总结低维材料科学与应用中已取得巨大成就的基础上，对尚存难题、发展极限和突破方向进行了展望。
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总序
前言
第1章 低维材料的理论基础 1
1.1 量子力学基础 2
1.1.1 薛定谔方程 2
1.1.2 量子限域和维度效应 3
1.2 低维体系的能量分布 5
1.2.1 电子能带 5
1.2.2 晶格声子 7
1.2.3 光子晶体 9
1.2.4 态密度的维度效应 9
1.3 能带拓扑空间 10
1.4 低维热力学 11
1.5 低维体系的能量输运 12
1.5.1 玻尔兹曼方程 13
1.5.2 粒子扩散漂移 13
1.5.3 粒子弹道输运 14
1.5.4 波动相干传播 15
1.6 低维体系的能量转化 15
1.7 小结 18
参考文献 20
第2章 低维材料的独特结构 22
2.1 零维结构 24
2.1.1 团簇的幻数稳定性 24
2.1.2 纳米晶的晶面与形状 25
2.1.3 最完美的分子C60 26
2.2 一维结构 27
2.2.1 聚乙炔：极限一维结构 28
2.2.2 碳纳米管的手性 28
2.2.3 超细金属纳米线 29
2.2.4 半导体纳米线 31
2.3 二维结构 32
2.3.1 二维材料的稳定性 32
2.3.2 二维材料的对称性 33
2.3.3 二维材料的缺陷 35
2.4 异质结构 37
2.4.1 零维核壳结构 38
2.4.2 一维异质结构 39
2.4.3 二维异质结构 40
2.5 小结 41
参考文献 42
第3章 低维材料的控制制备 51
3.1 低维材料制备基本原理 52
3.1.1 自下而上与自上而下 52
3.1.2 生长和组装热力学 52
3.1.3 生长和组装动力学 55
3.1.4 低维结构的控制策略 55
3.2 低维材料的生长方法 56
3.2.1 分子合成 56
3.2.2 液相生长 57
3.2.3 气相生长 60
3.2.4 机器学习辅助生长 63
3.3 低维结构的组装方法 65
3.3.1 自组装基本原理 66
3.3.2 液相组装 67
3.3.3 液晶组装 67
3.3.4 液相界面组装 68
3.3.5 气液界面组装 68
3.3.6 静电逐层组装 69
3.3.7 外场引导组装 70
3.3.8 动态自组装 71
3.4 低维材料的加工方法 71
3.4.1 光刻加工 72
3.4.2 粒子束加工 72
3.4.3 机械加工 73
3.4.4 剥离减薄 76
3.5 小结 78
参考文献 78
第4章 低维材料的结构表征 87
4.1 结构表征原理 87
4.1.1 表征技术分类 87
4.1.2 衍射极限与成像突破 89
4.2 透射电子显微镜 90
4.2.1 高分辨成像 91
4.2.2 相位解析 93
4.2.3 三维重构 94
4.2.4 原位透射电镜 95
4.3 扫描电子显微镜 99
4.3.1 原子级分辨率 99
4.3.2 形貌与性质衬度 100
4.3.3 原位测量材料性质 100
4.3.4 原位观察材料生长 101
4.4 扫描探针显微镜 102
4.4.1 扫描隧道显微镜 102
4.4.2 原子力显微镜 106
4.5 谱学表征技术 110
4.5.1 光学谱 111
4.5.2 电子谱 115
4.5.3 磁共振谱 117
4.6 小结 118
参考文献 119
第5章 低维材料的性质 130
5.1 力学性质 130
5.1.1 弹性变形 131
5.1.2 塑性变形 132
5.1.3 断裂韧性 132
5.2 电学性质 133
5.2.1 电学界面 134
5.2.2 电子输运 135
5.2.3 离子输运 137
5.3 磁学性质 138
5.3.1 磁性耦合 139
5.3.2 磁性调控 141
5.4 热学性质 144
5.4.1 真空热辐射 144
5.4.2 流体热传输 145
5.4.3 固体热传导 145
5.5 化学性质 148
5.5.1 异质催化“火山图” 148
5.5.2 热催化反应 149
5.5.3 电化学反应 150
5.5.4 光电化学反应 152
5.6 光学性质 154
5.6.1 表面等离子体振荡 154
5.6.2 半导体带边发光 155
5.6.3 单光子源 157
5.6.4 非线性光学 158
5.7 小结 158
参考文献 159
第6章 低维材料的应用技术 167
6.1 低维信息材料 168
6.1.1 信息处理 168
6.1.2 信息存储 174
6.1.3 超越摩尔 176
6.1.4 低维传感器 178
6.2 低维能源材料 182
6.2.1 太阳能电池 183
6.2.2 人工光合成燃料 187
6.2.3 热电转化 195
6.2.4 电化学储能与转化 197
6.3 低维医用材料 206
6.3.1 疾病预防 206
6.3.2 健康监测 208
6.3.3 疾病诊疗 209
6.3.4 生物安全性研究与讨论 211
6.4 低维复合材料 212
6.4.1 复合材料理论模型 212
6.4.2 力学增强复合材料 213
6.4.3 导电复合材料 215
6.4.4 热界面复合材料 216
6.4.5 多功能复合材料 217
6.5 小结 218
参考文献 219
第7章 低维材料的既往、当下与未来 234
7.1 低维材料的既往：基础构建 234
7.1.1 理论的新发展 234
7.1.2 新结构的发现 235
7.1.3 新技术的发明 235
7.1.4 材料研发的新范式 236
7.2 低维材料的当下：实际应用 236
7.2.1 应用成果 236
7.2.2 行业规范 237
7.3 低维材料的未来：突破极限 238
7.4 结语 240
参考文献 240
关键词索引 244
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