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出版者:Materials Research Society

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1999-03

价格:USD 89.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781558994515

丛书系列:

图书标签:

• 热电材料
• 热电效应
• 能源转换
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 半导体
• 热能利用
• 纳米材料
• 功能材料
• 热电发电

凝聚态物理前沿进展：21世纪材料科学的探索 本书聚焦于凝聚态物理领域中，特别是自1998年以来，在功能材料设计、量子现象观测以及新型电子器件开发方面取得的重大突破。内容涵盖了理论物理学的最新模型、实验技术的革命性进步以及这些进展在能源、信息技术和生命科学交叉领域中的实际应用。 第一部分：拓扑材料的兴起与量子霍尔效应的深化 本部分详细探讨了自2000年以来，拓扑绝缘体和拓扑半金属成为凝聚态物理研究热点的原因和核心科学问题。 1.1 拓扑不变量与物质对称性 深入分析了由Princeton大学的Charles Kane和Eugene Mele等人在2005年左右提出的二维拓扑绝缘体理论框架。着重介绍了时间反演对称性在保护拓扑表面态中的关键作用，以及如何通过晶体对称性分类（如磁晶群）来预测和识别新型拓扑材料。讨论了Z2拓扑不变量的数学表述，并将其与传统的能带结构进行关联。 1.2 实验观测与量子输运 详述了光电子能谱（ARPES）技术如何精确地描绘出拓扑材料中的狄拉克锥或外尔锥表面态。重点介绍了在铋锑合金（Bi$_{1-x}$Sb$_{x}$）以及更后期的拓扑挑战者如HgTe/CdTe异质结中，如何首次观测到受保护的边缘导电性，并对比了这些边缘态与传统二维电子气（2DEG）在杂质散射机制上的本质区别。 1.3 外尔和狄拉克费米子 本章全面回顾了外尔半金属的发现历程，从理论预测（如Volovik对拓扑超导体的预言）到实验确证。详细分析了在TaAs和NbP等材料中观测到的非平凡的贝里曲率，以及如何利用阿列夫诺夫（Arnov-Levchenko）效应和电磁场耦合来分离和研究外尔点的拓扑性质，特别是其手性效应在非互易磁输运中的体现。 第二部分：二维材料的维度重构与多功能集成 自石墨烯在2004年被剥离以来，二维（2D）材料家族迅速扩大。本部分关注如何利用原子级厚度的优势，创造出传统三维材料无法比拟的新物理现象。 2.1 俄歇-莫尔（Twisted Bilayer Graphene, TBG）的魔角物理 详细阐述了在两层石墨烯以特定小角度（特别是约1.1°，即“魔角”）堆叠时，其能带结构会发生剧烈的重构，导致电子动能被极度抑制。重点讨论了随后发现的平带（flat bands）现象，以及这些平带中电子的强关联效应如何诱导出超导态、莫特绝缘态等奇异相。分析了“魔角范德华异质结构”（Moiré Heterostructures）的概念，例如将WS2或MoSe2加入其中，以调控轨道磁矩和激子行为。 2.2 范德华异质结与能带工程 系统梳理了利用原子级精确的刻蚀和转移技术构建的垂直或侧向异质结（Heterostructures）。讨论了如何通过精确控制不同2D材料的晶格失配和相对取向，实现Type-II超晶格，从而调控光吸收和发射的范围。重点分析了在垂直电场下，过渡金属硫属化合物（TMDs）中的激子（Excitons）如何被分离，并形成了长寿命的准二维电子-空穴对，这在低功耗光电子器件方面具有巨大潜力。 2.3 狄拉克材料中的界面效应 探讨了在狄拉克材料（如石墨烯或拓扑绝缘体）与传统半导体或铁磁体界面处出现的特殊物理现象，如自旋轨道耦合（SOC）的增强和Rashba效应的调控。这部分内容强调了界面化学和表面修饰对电子自旋自由度的影响，为自旋电子学器件的设计提供了新的自由度。 第三部分：强关联电子系统与新型量子态的探索 本部分转向高温物理和磁性材料领域，关注电子间的相互作用如何主导宏观物理性质的出现。 3.1 铜氧化物高温超导体的进展与挑战 回顾了自1998年以来，对d波超导机制的深入理解。重点分析了利用赝规范区域（Pseudogap Regime）的实验数据，该区域的存在被认为是理解高临界温度（Tc）机制的关键。讨论了通过应变工程（Strain Engineering）和压力诱导来调控铜氧化物晶格结构，以期拓宽Tc范围的研究工作。 3.2 量子自旋液体（Quantum Spin Liquids, QSLs） 将QSLs定义为一类在基态中缺乏长程磁有序，但仍保留强量子涨落的磁性系统。详细介绍了Kagome晶格（如Herbertsmithite）和Kitaev模型（如α-RuCl3）在实现二维和三维QSL方面的进展。强调了利用中子散射和μ子自旋旋转（Muon Spin Rotation, $mu$SR）技术来探测这些系统中激发态的分数激发，即任意子（Anyons）的证据。 3.3 铁电体与多铁性材料 探讨了铁电性（Ferroelectricity）与磁性（Magnetism）耦合的多铁性材料（Multiferroics）。重点分析了通过磁致伸缩效应或电场控制磁化的可行性。重点介绍了基于稀土锰氧化物（RMnO3）的性能优化，以及在更具室温应用潜力的BiFeO3中，如何通过界面应力或掺杂来解耦铁电和铁磁转变温度，以实现更高效的耦合。 第四部分：先进表征技术与计算物理学的融合 本部分强调了实验手段的进步如何驱动理论理解的深化，以及计算方法在材料发现中的核心作用。 4.1 飞秒-皮秒尺度下的动力学研究 详细描述了超快时间分辨光电子能谱（TR-ARPES）和时间分辨X射线吸收谱（TR-XAS）在研究材料中激发态弛豫过程中的应用。通过这些技术，研究人员能够实时追踪电子从吸收光子到形成准粒子、再到最终退相干的整个过程，揭示了光诱导相变（如光诱导超导或磁性翻转）的微观机制。 4.2 密度泛函理论（DFT）的扩展与修正 讨论了标准DFT方法在处理强关联系统和范德华相互作用时的局限性。重点介绍了DFT+U方法和混合泛函如何更准确地描述d/f电子系统的能带结构和电荷转移过程。同时，阐述了GW近似如何被用于计算材料的激发能和光学响应，并与实验数据进行高精度比对。 4.3 机器学习在材料结构预测中的应用 介绍了高通量计算框架（如Materials Project）的演进，以及如何将无监督学习和神经网络应用于筛选具有特定拓扑性质或催化活性的候选材料。强调了利用已知晶体结构数据库来训练模型，以预测新的稳定相或优化薄膜生长条件的实践案例。 本书旨在为凝聚态物理、材料科学及相关工程领域的深入研究人员和高年级学生提供一个全面、深入的参考，勾勒出21世纪前二十年该领域从理论猜想到实验实现的完整图景。

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这本书在结尾部分对于未来研究方向的展望部分，具有极强的预见性和启发性。作者没有简单地预测下一个“明星材料”，而是从系统科学和跨学科融合的角度提出了几点关键的突破口。其中关于集成化热电器件——如何将热电转换单元与传感器、能量收集电路直接集成，以实现更高效的能量流管理——的讨论，给我留下了深刻印象。这种从材料本身到系统层面的拓展，极大地拓宽了我的思路。此外，书中对“自适应”热电系统的设想，即材料能够在温度变化的环境中动态调整其ZT值的能力，描绘了一个令人兴奋的前景。它暗示着未来的研究重心将从追求极限性能，转向追求环境鲁棒性和多功能集成。总体而言，这部作品不仅总结了过去，更重要的是，它为未来十年热电科学的研究指明了清晰而富有挑战性的航向。

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这本书的叙事风格显得非常老练和沉稳，它没有追求花哨的排版或过于激进的论断，而是以一种教科书式的、不偏不倚的姿态，将热电材料的挑战和机遇娓娓道来。我尤其欣赏它在讨论材料局限性时的坦诚。例如，在涉及过渡金属硫化物和碲化物体系时，作者没有回避它们在环境稳定性、毒性以及成本控制方面面临的巨大障碍。通过对这些现实瓶颈的直面，全书的论述显得更加真实可信，避免了过度乐观的陷阱。它引导读者将目光投向更具可持续性的替代方案，比如有机热电材料或基于纳米结构的复合材料。这种务实的态度，使得这本书不仅仅是一份技术报告，更像是对一个复杂科学前沿的全面体检报告。它教会我们，真正的创新往往产生于对现有技术深度局限性的深刻理解之上。

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我花费了大量时间研读了这本书中关于新型热电材料合成方法的章节，印象最为深刻的是其对“非平衡态热力学”在材料制备中应用的细致描述。不同于传统热力学平衡条件下的合成路径，书中详细介绍了诸如快速淬火、机械合金化以及原子层沉积等非传统技术如何有效地引入高密度的晶界和点缺陷，从而实现对晶格热导的有效散射，同时保持电子导电性的相对稳定。这种对微观机制的深入挖掘，使得整个材料设计过程不再是盲目的试错，而更像是一门精确的工程艺术。书中对不同合成温度和气氛对最终材料形貌和电学性能影响的曲线拟合和讨论，展示了作者扎实的实验功底和敏锐的洞察力。对于关注如何将实验室成果转化为实际可量产技术的读者而言，这部分内容尤其具有指导意义。它不仅提供了方法论，更重要的是解释了“为什么”这些方法会奏效，这才是区分优秀教材和普通参考书的关键所在。

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这部著作无疑是材料科学领域的一部力作，它以一种令人耳目一新的方式，深入剖析了热电材料在能源转化和热管理方面的潜力。作者并没有仅仅停留在对现有技术的罗列和总结上，而是将理论基础与前沿实验成果紧密结合，构建了一个既严谨又富有启发性的知识体系。书中对塞贝克效应、珀尔贴效应以及焦耳热效应的阐述详实而透彻，使得即便是初次接触该领域的读者也能迅速抓住核心概念。特别值得称赞的是，作者对于材料结构与性能之间复杂关系的探讨，例如晶体结构缺陷如何调控载流子浓度和热导率，这些深入的分析为后续的研究指明了方向。读完前几章，我感觉自己对如何设计和优化高性能热电材料有了更深刻的理解，这不仅仅是知识的输入，更是一种思维方式的转变。它推动着读者去思考，如何在实际工程应用中平衡热电优值（ZT）的各个组成要素，而不是简单地追求单一指标的最大化。整体来看，这本书的学术深度和广度都达到了极高的水准，是从事相关研究的科研人员和工程师不可多得的参考书。

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说实话，这本书的某些章节，特别是涉及到低温热电效应的理论推导部分，对于非物理专业背景的读者来说，阅读起来颇具挑战性。作者在推导过程中对量子力学和固体物理基本原理的依赖性很高，涉及到大量的费米能级、波函数重叠积分和输运方程的求解。尽管如此，作者通过精巧的图示和详尽的脚注，努力搭建起数学模型与宏观物理现象之间的桥梁。我花了一番功夫才啃下来关于“能带工程”如何调控热电性能的部分，但一旦理解了其中关于简并化和电子-声子散射的耦合机制，之前看似杂乱无章的实验数据立刻变得条理分明起来。这说明这本书的目标读者群体非常明确，它服务于那些已经具备一定理论基础，并希望深入理解热电现象底层物理机制的研究人员。对于想快速了解表面现象的人来说，可能略显晦涩，但对于追求深度解析的学者来说，这是份绝佳的“硬核”读物。

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