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纳米结构和纳米材料：合成、性能及应用（第二版），ISBN：9787040326246，作者：（美）曹国忠，（美）王颖 著，董星龙 译
作者：曹国忠 王颖
出版社：高等教育出版社
定价：59.00元
ISBN：9787040326246
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目 录
1 绪论 …………………………………………………………………………… １
１.１ 引言 ……………………………………………………………………… １
１.２ 纳米技术的产生…………………………………………………………… ３
１.３ “自下而上” 法和 “自上而下” 法……………………………………… ６
１.４ 纳米技术的挑战…………………………………………………………… ９
１.５ 本书概况 ………………………………………………………………… ９
参考文献 ……………………………………………………………………… １１
2 固态表面的物理化学 ……………………………………………………… １３
２.１ 引言 ……………………………………………………………………… １３
２.２ 表面能 …………………………………………………………………… １５
２.３ 化学势与表面曲率 ……………………………………………………… ２１
２.４ 静电稳定化 ……………………………………………………………… ２５
２.４.１ 表面电荷密度 ………………………………………………………… ２５
２.４.２ 固态表面附近电势 …………………………………………………… ２７
２.４.３ 范德瓦耳斯吸引势 …………………………………………………… ２８
２.４.４ 两粒子间相互作用： ＤＬＶＯ 理论 ……………………………………… ３０
２.５ 空间稳定化 ……………………………………………………………… ３３
２.５.１ 溶剂和聚合物 ………………………………………………………… ３４
２.５.２ 聚合物层间相互作用 ………………………………………………… ３５
２.５.３ 空间和静电复合相互作用 ……………………………………………… ３７
２.６ 总结 ……………………………………………………………………… ３８
参考文献 ……………………………………………………………………… ３８
3 零维纳米结构： 纳米粒子 ………………………………………………… ４１
３.１ 引言 ……………………………………………………………………… ４１
３.２ 均匀成核形成纳米粒子 ………………………………………………… ４２
３.２.１ 均匀成核基础 ………………………………………………………… ４３
３.２.２ 晶核的后续生长 ……………………………………………………… ４６
３.２.２.１ 扩散控制的生长 ………………………………………………… ４７
３.２.２.２ 表面过程控制的生长……………………………………………… ４７Ⅱ
３.２.３ 金属纳米粒子的合成 ………………………………………………… ５０
３.２.３.１ 还原剂的影响 …………………………………………………… ５３
３.２.３.２ 其他因素的影响 ………………………………………………… ５５
３.２.３.３ 聚合物稳定剂的影响……………………………………………… ５６
３.２.４ 半导体纳米粒子的合成………………………………………………… ６２
３.２.５ 氧化物纳米粒子的合成………………………………………………… ６７
３.２.５.１ 溶胶 －凝胶法 …………………………………………………… ６８
３.２.５.２ 强制水解 ………………………………………………………… ７０
３.２.５.３ 离子的控制释放 ………………………………………………… ７１
３.２.６ 气相反应 ……………………………………………………………… ７３
３.２.７ 固态相分离 …………………………………………………………… ７４
３.３ 非均匀成核形成纳米粒子 ……………………………………………… ７６
３.３.１ 非均匀成核基础 ……………………………………………………… ７６
３.３.２ 纳米粒子合成 ………………………………………………………… ７８
３.４ 纳米粒子的动力学限域合成 …………………………………………… ７９
３.４.１ 胶束或微乳液中合成 ………………………………………………… ８０
３.４.２ 气溶胶合成 …………………………………………………………… ８１
３.４.３ 生长终止 ……………………………………………………………… ８２
３.４.４ 雾化热解 ……………………………………………………………… ８２
３.４.５ 模板合成 ……………………………………………………………… ８３
３.５ 外延核 －壳纳米粒子 …………………………………………………… ８３
３.６ 总结 ……………………………………………………………………… ８６
参考文献 ……………………………………………………………………… ８６
4 一维纳米结构： 纳米线和纳米棒 ………………………………………… ９５
４.１ 引言 ……………………………………………………………………… ９５
４.２ 自发生长 ………………………………………………………………… ９７
４.２.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长 ……………………………………………… ９７
４.２.１.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长基本原理 ………………………………… ９７
４.２.１.２ 蒸发 －冷凝生长 ………………………………………………… １０２
４.２.１.３ 溶解 －冷凝生长 ………………………………………………… １０６
４.２.２ 气相（或溶液） －液相 －固相（ＶＬＳ 或 ＳＬＳ）生长………………………… １０９
４.２.２.１ ＶＬＳ 和 ＳＬＳ 生长的基本原理 ……………………………………… １０９
４.２.２.２ 不同纳米线的 ＶＬＳ 生长 ………………………………………… １１２
４.２.２.３ 纳米线尺寸的控制 ……………………………………………… １１４
４.２.２.４ 前驱体和催化剂 ………………………………………………… １１８Ⅲ
４.２.２.５ 溶液 －液态 －固态生长 ………………………………………… １１９
４.２.３ 应力诱导再结晶 ……………………………………………………… １２１
４.３ 基于模板合成 …………………………………………………………… １２１
４.３.１ 电化学沉积…………………………………………………………… １２２
４.３.２ 电泳沉积 …………………………………………………………… １２８
４.３.３ 模板填充 …………………………………………………………… １３４
４.３.３.１ 胶态分散体填充 ………………………………………………… １３５
４.３.３.２ 熔融和溶液填充 ………………………………………………… １３７
４.３.３.３ 化学气相沉积 …………………………………………………… １３７
４.３.３.４ 离心沉积………………………………………………………… １３７
４.３.４ 通过化学反应转换 …………………………………………………… １３８
４.４ 静电纺丝………………………………………………………………… １４１
４.５ 光刻……………………………………………………………………… １４４
４.６ 总结……………………………………………………………………… １４６
参考文献 ……………………………………………………………………… １４６
5 二维纳米结构： 薄膜 ……………………………………………………… １５５
５.１ 引言……………………………………………………………………… １５５
５.２ 薄膜生长的基本原理 …………………………………………………… １５６
５.３ 真空科学………………………………………………………………… １６０
５.４ 物理气相沉积（ＰＶＤ） …………………………………………………… １６２
５.４.１ 蒸发 ………………………………………………………………… １６２
５.４.２ 分子束外延生长（ＭＢＥ） ……………………………………………… １６４
５.４.３ 溅射 ………………………………………………………………… １６５
５.４.４ 蒸发和溅射的比较 …………………………………………………… １６６
５.５ 化学气相沉积（ＣＶＤ） …………………………………………………… １６７
５.５.１ 典型的化学反应 ……………………………………………………… １６７
５.５.２ 反应动力学…………………………………………………………… １６９
５.５.３ 输运现象 …………………………………………………………… １６９
５.５.４ ＣＶＤ 方法 …………………………………………………………… １７１
５.５.５ ＣＶＤ 法制备金刚石薄膜 ……………………………………………… １７３
５.６ 原子层沉积……………………………………………………………… １７５
５.７ 超晶格…………………………………………………………………… １７９
５.８ 自组装…………………………………………………………………… １８１
５.８.１ 有机硅单分子层或硅烷衍生物………………………………………… １８２
５.８.２ 烷基硫醇和硫化物的单分子层………………………………………… １８４Ⅳ
５.８.３ 羧酸、 胺、 乙醇的单分子层 ………………………………………… １８６
５.９ 朗缪尔 －布洛杰特薄膜 ………………………………………………… １８７
５.１０ 电化学沉积 …………………………………………………………… １９０
５.１１ 溶胶 －凝胶薄膜 ……………………………………………………… １９２
５.１２ 总结 …………………………………………………………………… １９５
参考文献 ……………………………………………………………………… １９５
6 特殊纳米材料 ……………………………………………………………… ２０３
６.１ 引言……………………………………………………………………… ２０３
６.２ 碳富勒烯和纳米管 ……………………………………………………… ２０４
６.２.１ 碳富勒烯 …………………………………………………………… ２０４
６.２.２ 富勒烯衍生晶体 ……………………………………………………… ２０５
６.２.３ 碳纳米管 …………………………………………………………… ２０５
６.３ 微孔和介孔材料 ………………………………………………………… ２１１
６.３.１ 有序介孔结构 ………………………………………………………… ２１１
６.３.２ 无序介孔结构 ………………………………………………………… ２１８
６.３.３ 晶态微孔材料： 沸石 ………………………………………………… ２２２
６.４ 核 －壳结构……………………………………………………………… ２２８
６.４.１ 金属 －氧化物结构 …………………………………………………… ２２９
６.４.２ 金属 －聚合物结构 …………………………………………………… ２３１
６.４.３ 氧化物 －聚合物纳米结构 …………………………………………… ２３１
６.５ 有机 －无机杂化物 ……………………………………………………… ２３３
６.５.１ 第一类杂化物 ………………………………………………………… ２３３
６.５.２ 第二类杂化物 ………………………………………………………… ２３４
６.６ 插层化合物……………………………………………………………… ２３５
６.７ 纳米复合材料和纳米晶材料 …………………………………………… ２３７
６.８ 反转蛋白石……………………………………………………………… ２３９
６.９ 生物诱导纳米材料 ……………………………………………………… ２４１
６.１０ 总结 …………………………………………………………………… ２４２
参考文献 ……………………………………………………………………… ２４２
7 物理法制备纳米结构 ……………………………………………………… ２５５
７.１ 引言……………………………………………………………………… ２５５
７.２ 刻蚀……………………………………………………………………… ２５６
７.２.１ 光刻 ………………………………………………………………… ２５７
７.２.２ 相移光刻 …………………………………………………………… ２５９
７.２.３ 电子束光刻…………………………………………………………… ２６０Ⅴ
７.２.４ Ｘ 射线光刻…………………………………………………………… ２６２
７.２.５ 聚焦离子束（ＦＩＢ）光刻 ……………………………………………… ２６３
７.２.６ 中性原子束光刻 ……………………………………………………… ２６６
７.３ 纳米操纵和纳米光刻 …………………………………………………… ２６７
７.３.１ 扫描隧道显微镜（ＳＴＭ） ……………………………………………… ２６７
７.３.２ 原子力显微镜（ＡＦＭ） ………………………………………………… ２６９
７.３.３ 近场扫描光学显微镜（ＮＳＯＭ） ………………………………………… ２７０
７.３.４ 纳米操纵 …………………………………………………………… ２７１
７.３.５ 纳米光刻 …………………………………………………………… ２７５
７.４ 软光刻…………………………………………………………………… ２７９
７.４.１ 微接触印刷…………………………………………………………… ２８０
７.４.２ 模塑 ………………………………………………………………… ２８１
７.４.３ 纳米压印 …………………………………………………………… ２８２
７.４.４ 蘸笔纳米光刻 ………………………………………………………… ２８３
７.５ 纳米粒子及纳米线的组装 ……………………………………………… ２８４
７.５.１ 毛细管力 …………………………………………………………… ２８４
７.５.２ 弥散相互作用 ………………………………………………………… ２８７
７.５.３ 剪切力辅助组装 ……………………………………………………… ２８７
７.５.４ 电场辅助组装 ………………………………………………………… ２８７
７.５.５ 共价键连接组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.６ 重力场辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.７ 模板 －辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.６ 其他微制造方法 ………………………………………………………… ２８９
７.７ 总结……………………………………………………………………… ２９０
参考文献 ……………………………………………………………………… ２９０
8 纳米材料的表征和性能 …………………………………………………… ２９９
８.１ 引言……………………………………………………………………… ２９９
８.２ 结构表征………………………………………………………………… ３００
８.２.１ Ｘ 射线衍射（ＸＲＤ） …………………………………………………… ３００
８.２.２ 小角度 Ｘ 射线散射（ＳＡＸＳ） …………………………………………… ３０１
８.２.３ 扫描电子显微镜（ＳＥＭ） ……………………………………………… ３０３
８.２.４ 透射电子显微镜（ＴＥＭ） ……………………………………………… ３０７
８.２.５ 扫描探针显微镜（ＳＰＭ） ……………………………………………… ３０８
８.２.６ 气体吸附 …………………………………………………………… ３１１
８.３ 化学表征 ……………………………………………………………… ３１２Ⅵ
８.３.１ 光谱 ………………………………………………………………… ３１２
８.３.２ 电子谱 ……………………………………………………………… ３１５
８.３.３ 离子谱 ……………………………………………………………… ３１６
８.４ 纳米材料的物理性能 …………………………………………………… ３１８
８.４.１ 熔点和晶格常数 ……………………………………………………… ３１８
８.４.２ 力学性能 …………………………………………………………… ３２２
８.４.３ 光学性能 …………………………………………………………… ３２４
８.４.３.１ 表面等离子共振 ………………………………………………… ３２４
８.４.３.２ 量子尺寸效应 …………………………………………………… ３２９
８.４.４ 电导 ………………………………………………………………… ３３１
８.４.４.１ 表面散射………………………………………………………… ３３２
８.４.４.２ 电子结构的变化 ………………………………………………… ３３５
８.４.４.３ 量子输运………………………………………………………… ３３５
８.４.４.４ 微结构效应 ……………………………………………………… ３３７
８.４.５ 铁电体和电介质 ……………………………………………………… ３３８
８.４.６ 超顺磁性 …………………………………………………………… ３４１
８.５ 总结 …………………………………………………………………… ３４３
参考文献 ……………………………………………………………………… ３４３
9 纳米材料的应用 …………………………………………………………… ３５３
９.１ 引言……………………………………………………………………… ３５３
９.２ 分子电子学和纳米电子学 ……………………………………………… ３５４
９.３ 纳米机器人……………………………………………………………… ３５５
９.４ 纳米粒子的生物应用 …………………………………………………… ３５６
９.５ 金纳米粒子催化剂 ……………………………………………………… ３５８
９.６ 带隙工程量子器件 ……………………………………………………… ３５９
９.６.１ 量子阱器件…………………………………………………………… ３５９
９.６.２ 量子点器件…………………………………………………………… ３６０
９.７ 纳米力学 ……………………………………………………………… ３６２
９.８ 碳纳米管发射器 ………………………………………………………… ３６３
９.９ 纳米材料的能源应用 …………………………………………………… ３６５
９.９.１ 光电化学电池 ………………………………………………………… ３６５
９.９.２ 锂离子充电电池 ……………………………………………………… ３６７
９.９.３ 储氢 ………………………………………………………………… ３７０
９.９.４ 热电器件 …………………………………………………………… ３７２
９.１０ 纳米材料的环境应用 ………………………………………………… ３７４Ⅶ
９.１１ 光子晶体和等离子波导 ……………………………………………… ３７５
９.１１.１ 光子晶体 …………………………………………………………… ３７５
９.１１.２ 等离子波导 ………………………………………………………… ３７７
９.１２ 总结 …………………………………………………………………… ３７７
参考文献 ……………………………………………………………………… ３７８
附录……………………………………………………………………………… ３８９
附录 １ 元素周期表 ………………………………………………………… ３８９
附录 ２ 国际单位 …………………………………………………………… ３９０
附录 ３ 基本物理常数 ……………………………………………………… ３９０
附录 ４ １４ 种三维晶格类型 ………………………………………………… ３９１
附录 ５ 电磁波谱 …………………………………………………………… ３９２
附录 ６ 希腊字母表 ………………………………………………………… ３９２
索引……………………………………………………………………………… ３９４
中文版后记 ……………………………………………………………………… ４０６
作者和译者简介 ………………………………………………………………… ４０８
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目 录
1 绪论 …………………………………………………………………………… １
１.１ 引言 ……………………………………………………………………… １
１.２ 纳米技术的产生…………………………………………………………… ３
１.３ “自下而上” 法和 “自上而下” 法……………………………………… ６
１.４ 纳米技术的挑战…………………………………………………………… ９
１.５ 本书概况 ………………………………………………………………… ９
参考文献 ……………………………………………………………………… １１
2 固态表面的物理化学 ……………………………………………………… １３
２.１ 引言 ……………………………………………………………………… １３
２.２ 表面能 …………………………………………………………………… １５
２.３ 化学势与表面曲率 ……………………………………………………… ２１
２.４ 静电稳定化 ……………………………………………………………… ２５
２.４.１ 表面电荷密度 ………………………………………………………… ２５
２.４.２ 固态表面附近电势 …………………………………………………… ２７
２.４.３ 范德瓦耳斯吸引势 …………………………………………………… ２８
２.４.４ 两粒子间相互作用： ＤＬＶＯ 理论 ……………………………………… ３０
２.５ 空间稳定化 ……………………………………………………………… ３３
２.５.１ 溶剂和聚合物 ………………………………………………………… ３４
２.５.２ 聚合物层间相互作用 ………………………………………………… ３５
２.５.３ 空间和静电复合相互作用 ……………………………………………… ３７
２.６ 总结 ……………………………………………………………………… ３８
参考文献 ……………………………………………………………………… ３８
3 零维纳米结构： 纳米粒子 ………………………………………………… ４１
３.１ 引言 ……………………………………………………………………… ４１
３.２ 均匀成核形成纳米粒子 ………………………………………………… ４２
３.２.１ 均匀成核基础 ………………………………………………………… ４３
３.２.２ 晶核的后续生长 ……………………………………………………… ４６
３.２.２.１ 扩散控制的生长 ………………………………………………… ４７
３.２.２.２ 表面过程控制的生长……………………………………………… ４７Ⅱ
３.２.３ 金属纳米粒子的合成 ………………………………………………… ５０
３.２.３.１ 还原剂的影响 …………………………………………………… ５３
３.２.３.２ 其他因素的影响 ………………………………………………… ５５
３.２.３.３ 聚合物稳定剂的影响……………………………………………… ５６
３.２.４ 半导体纳米粒子的合成………………………………………………… ６２
３.２.５ 氧化物纳米粒子的合成………………………………………………… ６７
３.２.５.１ 溶胶 －凝胶法 …………………………………………………… ６８
３.２.５.２ 强制水解 ………………………………………………………… ７０
３.２.５.３ 离子的控制释放 ………………………………………………… ７１
３.２.６ 气相反应 ……………………………………………………………… ７３
３.２.７ 固态相分离 …………………………………………………………… ７４
３.３ 非均匀成核形成纳米粒子 ……………………………………………… ７６
３.３.１ 非均匀成核基础 ……………………………………………………… ７６
３.３.２ 纳米粒子合成 ………………………………………………………… ７８
３.４ 纳米粒子的动力学限域合成 …………………………………………… ７９
３.４.１ 胶束或微乳液中合成 ………………………………………………… ８０
３.４.２ 气溶胶合成 …………………………………………………………… ８１
３.４.３ 生长终止 ……………………………………………………………… ８２
３.４.４ 雾化热解 ……………………………………………………………… ８２
３.４.５ 模板合成 ……………………………………………………………… ８３
３.５ 外延核 －壳纳米粒子 …………………………………………………… ８３
３.６ 总结 ……………………………………………………………………… ８６
参考文献 ……………………………………………………………………… ８６
4 一维纳米结构： 纳米线和纳米棒 ………………………………………… ９５
４.１ 引言 ……………………………………………………………………… ９５
４.２ 自发生长 ………………………………………………………………… ９７
４.２.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长 ……………………………………………… ９７
４.２.１.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长基本原理 ………………………………… ９７
４.２.１.２ 蒸发 －冷凝生长 ………………………………………………… １０２
４.２.１.３ 溶解 －冷凝生长 ………………………………………………… １０６
４.２.２ 气相（或溶液） －液相 －固相（ＶＬＳ 或 ＳＬＳ）生长………………………… １０９
４.２.２.１ ＶＬＳ 和 ＳＬＳ 生长的基本原理 ……………………………………… １０９
４.２.２.２ 不同纳米线的 ＶＬＳ 生长 ………………………………………… １１２
４.２.２.３ 纳米线尺寸的控制 ……………………………………………… １１４
４.２.２.４ 前驱体和催化剂 ………………………………………………… １１８Ⅲ
４.２.２.５ 溶液 －液态 －固态生长 ………………………………………… １１９
４.２.３ 应力诱导再结晶 ……………………………………………………… １２１
４.３ 基于模板合成 …………………………………………………………… １２１
４.３.１ 电化学沉积…………………………………………………………… １２２
４.３.２ 电泳沉积 …………………………………………………………… １２８
４.３.３ 模板填充 …………………………………………………………… １３４
４.３.３.１ 胶态分散体填充 ………………………………………………… １３５
４.３.３.２ 熔融和溶液填充 ………………………………………………… １３７
４.３.３.３ 化学气相沉积 …………………………………………………… １３７
４.３.３.４ 离心沉积………………………………………………………… １３７
４.３.４ 通过化学反应转换 …………………………………………………… １３８
４.４ 静电纺丝………………………………………………………………… １４１
４.５ 光刻……………………………………………………………………… １４４
４.６ 总结……………………………………………………………………… １４６
参考文献 ……………………………………………………………………… １４６
5 二维纳米结构： 薄膜 ……………………………………………………… １５５
５.１ 引言……………………………………………………………………… １５５
５.２ 薄膜生长的基本原理 …………………………………………………… １５６
５.３ 真空科学………………………………………………………………… １６０
５.４ 物理气相沉积（ＰＶＤ） …………………………………………………… １６２
５.４.１ 蒸发 ………………………………………………………………… １６２
５.４.２ 分子束外延生长（ＭＢＥ） ……………………………………………… １６４
５.４.３ 溅射 ………………………………………………………………… １６５
５.４.４ 蒸发和溅射的比较 …………………………………………………… １６６
５.５ 化学气相沉积（ＣＶＤ） …………………………………………………… １６７
５.５.１ 典型的化学反应 ……………………………………………………… １６７
５.５.２ 反应动力学…………………………………………………………… １６９
５.５.３ 输运现象 …………………………………………………………… １６９
５.５.４ ＣＶＤ 方法 …………………………………………………………… １７１
５.５.５ ＣＶＤ 法制备金刚石薄膜 ……………………………………………… １７３
５.６ 原子层沉积……………………………………………………………… １７５
５.７ 超晶格…………………………………………………………………… １７９
５.８ 自组装…………………………………………………………………… １８１
５.８.１ 有机硅单分子层或硅烷衍生物………………………………………… １８２
５.８.２ 烷基硫醇和硫化物的单分子层………………………………………… １８４Ⅳ
５.８.３ 羧酸、 胺、 乙醇的单分子层 ………………………………………… １８６
５.９ 朗缪尔 －布洛杰特薄膜 ………………………………………………… １８７
５.１０ 电化学沉积 …………………………………………………………… １９０
５.１１ 溶胶 －凝胶薄膜 ……………………………………………………… １９２
５.１２ 总结 …………………………………………………………………… １９５
参考文献 ……………………………………………………………………… １９５
6 特殊纳米材料 ……………………………………………………………… ２０３
６.１ 引言……………………………………………………………………… ２０３
６.２ 碳富勒烯和纳米管 ……………………………………………………… ２０４
６.２.１ 碳富勒烯 …………………………………………………………… ２０４
６.２.２ 富勒烯衍生晶体 ……………………………………………………… ２０５
６.２.３ 碳纳米管 …………………………………………………………… ２０５
６.３ 微孔和介孔材料 ………………………………………………………… ２１１
６.３.１ 有序介孔结构 ………………………………………………………… ２１１
６.３.２ 无序介孔结构 ………………………………………………………… ２１８
６.３.３ 晶态微孔材料： 沸石 ………………………………………………… ２２２
６.４ 核 －壳结构……………………………………………………………… ２２８
６.４.１ 金属 －氧化物结构 …………………………………………………… ２２９
６.４.２ 金属 －聚合物结构 …………………………………………………… ２３１
６.４.３ 氧化物 －聚合物纳米结构 …………………………………………… ２３１
６.５ 有机 －无机杂化物 ……………………………………………………… ２３３
６.５.１ 第一类杂化物 ………………………………………………………… ２３３
６.５.２ 第二类杂化物 ………………………………………………………… ２３４
６.６ 插层化合物……………………………………………………………… ２３５
６.７ 纳米复合材料和纳米晶材料 …………………………………………… ２３７
６.８ 反转蛋白石……………………………………………………………… ２３９
６.９ 生物诱导纳米材料 ……………………………………………………… ２４１
６.１０ 总结 …………………………………………………………………… ２４２
参考文献 ……………………………………………………………………… ２４２
7 物理法制备纳米结构 ……………………………………………………… ２５５
７.１ 引言……………………………………………………………………… ２５５
７.２ 刻蚀……………………………………………………………………… ２５６
７.２.１ 光刻 ………………………………………………………………… ２５７
７.２.２ 相移光刻 …………………………………………………………… ２５９
７.２.３ 电子束光刻…………………………………………………………… ２６０Ⅴ
７.２.４ Ｘ 射线光刻…………………………………………………………… ２６２
７.２.５ 聚焦离子束（ＦＩＢ）光刻 ……………………………………………… ２６３
７.２.６ 中性原子束光刻 ……………………………………………………… ２６６
７.３ 纳米操纵和纳米光刻 …………………………………………………… ２６７
７.３.１ 扫描隧道显微镜（ＳＴＭ） ……………………………………………… ２６７
７.３.２ 原子力显微镜（ＡＦＭ） ………………………………………………… ２６９
７.３.３ 近场扫描光学显微镜（ＮＳＯＭ） ………………………………………… ２７０
７.３.４ 纳米操纵 …………………………………………………………… ２７１
７.３.５ 纳米光刻 …………………………………………………………… ２７５
７.４ 软光刻…………………………………………………………………… ２７９
７.４.１ 微接触印刷…………………………………………………………… ２８０
７.４.２ 模塑 ………………………………………………………………… ２８１
７.４.３ 纳米压印 …………………………………………………………… ２８２
７.４.４ 蘸笔纳米光刻 ………………………………………………………… ２８３
７.５ 纳米粒子及纳米线的组装 ……………………………………………… ２８４
７.５.１ 毛细管力 …………………………………………………………… ２８４
７.５.２ 弥散相互作用 ………………………………………………………… ２８７
７.５.３ 剪切力辅助组装 ……………………………………………………… ２８７
７.５.４ 电场辅助组装 ………………………………………………………… ２８７
７.５.５ 共价键连接组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.６ 重力场辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.７ 模板 －辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.６ 其他微制造方法 ………………………………………………………… ２８９
７.７ 总结……………………………………………………………………… ２９０
参考文献 ……………………………………………………………………… ２９０
8 纳米材料的表征和性能 …………………………………………………… ２９９
８.１ 引言……………………………………………………………………… ２９９
８.２ 结构表征………………………………………………………………… ３００
８.２.１ Ｘ 射线衍射（ＸＲＤ） …………………………………………………… ３００
８.２.２ 小角度 Ｘ 射线散射（ＳＡＸＳ） …………………………………………… ３０１
８.２.３ 扫描电子显微镜（ＳＥＭ） ……………………………………………… ３０３
８.２.４ 透射电子显微镜（ＴＥＭ） ……………………………………………… ３０７
８.２.５ 扫描探针显微镜（ＳＰＭ） ……………………………………………… ３０８
８.２.６ 气体吸附 …………………………………………………………… ３１１
８.３ 化学表征 ……………………………………………………………… ３１２Ⅵ
８.３.１ 光谱 ………………………………………………………………… ３１２
８.３.２ 电子谱 ……………………………………………………………… ３１５
８.３.３ 离子谱 ……………………………………………………………… ３１６
８.４ 纳米材料的物理性能 …………………………………………………… ３１８
８.４.１ 熔点和晶格常数 ……………………………………………………… ３１８
８.４.２ 力学性能 …………………………………………………………… ３２２
８.４.３ 光学性能 …………………………………………………………… ３２４
８.４.３.１ 表面等离子共振 ………………………………………………… ３２４
８.４.３.２ 量子尺寸效应 …………………………………………………… ３２９
８.４.４ 电导 ………………………………………………………………… ３３１
８.４.４.１ 表面散射………………………………………………………… ３３２
８.４.４.２ 电子结构的变化 ………………………………………………… ３３５
８.４.４.３ 量子输运………………………………………………………… ３３５
８.４.４.４ 微结构效应 ……………………………………………………… ３３７
８.４.５ 铁电体和电介质 ……………………………………………………… ３３８
８.４.６ 超顺磁性 …………………………………………………………… ３４１
８.５ 总结 …………………………………………………………………… ３４３
参考文献 ……………………………………………………………………… ３４３
9 纳米材料的应用 …………………………………………………………… ３５３
９.１ 引言……………………………………………………………………… ３５３
９.２ 分子电子学和纳米电子学 ……………………………………………… ３５４
９.３ 纳米机器人……………………………………………………………… ３５５
９.４ 纳米粒子的生物应用 …………………………………………………… ３５６
９.５ 金纳米粒子催化剂 ……………………………………………………… ３５８
９.６ 带隙工程量子器件 ……………………………………………………… ３５９
９.６.１ 量子阱器件…………………………………………………………… ３５９
９.６.２ 量子点器件…………………………………………………………… ３６０
９.７ 纳米力学 ……………………………………………………………… ３６２
９.８ 碳纳米管发射器 ………………………………………………………… ３６３
９.９ 纳米材料的能源应用 …………………………………………………… ３６５
９.９.１ 光电化学电池 ………………………………………………………… ３６５
９.９.２ 锂离子充电电池 ……………………………………………………… ３６７
９.９.３ 储氢 ………………………………………………………………… ３７０
９.９.４ 热电器件 …………………………………………………………… ３７２
９.１０ 纳米材料的环境应用 ………………………………………………… ３７４Ⅶ
９.１１ 光子晶体和等离子波导 ……………………………………………… ３７５
９.１１.１ 光子晶体 …………………………………………………………… ３７５
９.１１.２ 等离子波导 ………………………………………………………… ３７７
９.１２ 总结 …………………………………………………………………… ３７７
参考文献 ……………………………………………………………………… ３７８
附录……………………………………………………………………………… ３８９
附录 １ 元素周期表 ………………………………………………………… ３８９
附录 ２ 国际单位 …………………………………………………………… ３９０
附录 ３ 基本物理常数 ……………………………………………………… ３９０
附录 ４ １４ 种三维晶格类型 ………………………………………………… ３９１
附录 ５ 电磁波谱 …………………………………………………………… ３９２
附录 ６ 希腊字母表 ………………………………………………………… ３９２
索引……………………………………………………………………………… ３９４
中文版后记 ……………………………………………………………………… ４０６
作者和译者简介 ………………………………………………………………… ４０８
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目 录
1 绪论 …………………………………………………………………………… １
１.１ 引言 ……………………………………………………………………… １
１.２ 纳米技术的产生…………………………………………………………… ３
１.３ “自下而上” 法和 “自上而下” 法……………………………………… ６
１.４ 纳米技术的挑战…………………………………………………………… ９
１.５ 本书概况 ………………………………………………………………… ９
参考文献 ……………………………………………………………………… １１
2 固态表面的物理化学 ……………………………………………………… １３
２.１ 引言 ……………………………………………………………………… １３
２.２ 表面能 …………………………………………………………………… １５
２.３ 化学势与表面曲率 ……………………………………………………… ２１
２.４ 静电稳定化 ……………………………………………………………… ２５
２.４.１ 表面电荷密度 ………………………………………………………… ２５
２.４.２ 固态表面附近电势 …………………………………………………… ２７
２.４.３ 范德瓦耳斯吸引势 …………………………………………………… ２８
２.４.４ 两粒子间相互作用： ＤＬＶＯ 理论 ……………………………………… ３０
２.５ 空间稳定化 ……………………………………………………………… ３３
２.５.１ 溶剂和聚合物 ………………………………………………………… ３４
２.５.２ 聚合物层间相互作用 ………………………………………………… ３５
２.５.３ 空间和静电复合相互作用 ……………………………………………… ３７
２.６ 总结 ……………………………………………………………………… ３８
参考文献 ……………………………………………………………………… ３８
3 零维纳米结构： 纳米粒子 ………………………………………………… ４１
３.１ 引言 ……………………………………………………………………… ４１
３.２ 均匀成核形成纳米粒子 ………………………………………………… ４２
３.２.１ 均匀成核基础 ………………………………………………………… ４３
３.２.２ 晶核的后续生长 ……………………………………………………… ４６
３.２.２.１ 扩散控制的生长 ………………………………………………… ４７
３.２.２.２ 表面过程控制的生长……………………………………………… ４７Ⅱ
３.２.３ 金属纳米粒子的合成 ………………………………………………… ５０
３.２.３.１ 还原剂的影响 …………………………………………………… ５３
３.２.３.２ 其他因素的影响 ………………………………………………… ５５
３.２.３.３ 聚合物稳定剂的影响……………………………………………… ５６
３.２.４ 半导体纳米粒子的合成………………………………………………… ６２
３.２.５ 氧化物纳米粒子的合成………………………………………………… ６７
３.２.５.１ 溶胶 －凝胶法 …………………………………………………… ６８
３.２.５.２ 强制水解 ………………………………………………………… ７０
３.２.５.３ 离子的控制释放 ………………………………………………… ７１
３.２.６ 气相反应 ……………………………………………………………… ７３
３.２.７ 固态相分离 …………………………………………………………… ７４
３.３ 非均匀成核形成纳米粒子 ……………………………………………… ７６
３.３.１ 非均匀成核基础 ……………………………………………………… ７６
３.３.２ 纳米粒子合成 ………………………………………………………… ７８
３.４ 纳米粒子的动力学限域合成 …………………………………………… ７９
３.４.１ 胶束或微乳液中合成 ………………………………………………… ８０
３.４.２ 气溶胶合成 …………………………………………………………… ８１
３.４.３ 生长终止 ……………………………………………………………… ８２
３.４.４ 雾化热解 ……………………………………………………………… ８２
３.４.５ 模板合成 ……………………………………………………………… ８３
３.５ 外延核 －壳纳米粒子 …………………………………………………… ８３
３.６ 总结 ……………………………………………………………………… ８６
参考文献 ……………………………………………………………………… ８６
4 一维纳米结构： 纳米线和纳米棒 ………………………………………… ９５
４.１ 引言 ……………………………………………………………………… ９５
４.２ 自发生长 ………………………………………………………………… ９７
４.２.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长 ……………………………………………… ９７
４.２.１.１ 蒸发（溶解） －冷凝生长基本原理 ………………………………… ９７
４.２.１.２ 蒸发 －冷凝生长 ………………………………………………… １０２
４.２.１.３ 溶解 －冷凝生长 ………………………………………………… １０６
４.２.２ 气相（或溶液） －液相 －固相（ＶＬＳ 或 ＳＬＳ）生长………………………… １０９
４.２.２.１ ＶＬＳ 和 ＳＬＳ 生长的基本原理 ……………………………………… １０９
４.２.２.２ 不同纳米线的 ＶＬＳ 生长 ………………………………………… １１２
４.２.２.３ 纳米线尺寸的控制 ……………………………………………… １１４
４.２.２.４ 前驱体和催化剂 ………………………………………………… １１８Ⅲ
４.２.２.５ 溶液 －液态 －固态生长 ………………………………………… １１９
４.２.３ 应力诱导再结晶 ……………………………………………………… １２１
４.３ 基于模板合成 …………………………………………………………… １２１
４.３.１ 电化学沉积…………………………………………………………… １２２
４.３.２ 电泳沉积 …………………………………………………………… １２８
４.３.３ 模板填充 …………………………………………………………… １３４
４.３.３.１ 胶态分散体填充 ………………………………………………… １３５
４.３.３.２ 熔融和溶液填充 ………………………………………………… １３７
４.３.３.３ 化学气相沉积 …………………………………………………… １３７
４.３.３.４ 离心沉积………………………………………………………… １３７
４.３.４ 通过化学反应转换 …………………………………………………… １３８
４.４ 静电纺丝………………………………………………………………… １４１
４.５ 光刻……………………………………………………………………… １４４
４.６ 总结……………………………………………………………………… １４６
参考文献 ……………………………………………………………………… １４６
5 二维纳米结构： 薄膜 ……………………………………………………… １５５
５.１ 引言……………………………………………………………………… １５５
５.２ 薄膜生长的基本原理 …………………………………………………… １５６
５.３ 真空科学………………………………………………………………… １６０
５.４ 物理气相沉积（ＰＶＤ） …………………………………………………… １６２
５.４.１ 蒸发 ………………………………………………………………… １６２
５.４.２ 分子束外延生长（ＭＢＥ） ……………………………………………… １６４
５.４.３ 溅射 ………………………………………………………………… １６５
５.４.４ 蒸发和溅射的比较 …………………………………………………… １６６
５.５ 化学气相沉积（ＣＶＤ） …………………………………………………… １６７
５.５.１ 典型的化学反应 ……………………………………………………… １６７
５.５.２ 反应动力学…………………………………………………………… １６９
５.５.３ 输运现象 …………………………………………………………… １６９
５.５.４ ＣＶＤ 方法 …………………………………………………………… １７１
５.５.５ ＣＶＤ 法制备金刚石薄膜 ……………………………………………… １７３
５.６ 原子层沉积……………………………………………………………… １７５
５.７ 超晶格…………………………………………………………………… １７９
５.８ 自组装…………………………………………………………………… １８１
５.８.１ 有机硅单分子层或硅烷衍生物………………………………………… １８２
５.８.２ 烷基硫醇和硫化物的单分子层………………………………………… １８４Ⅳ
５.８.３ 羧酸、 胺、 乙醇的单分子层 ………………………………………… １８６
５.９ 朗缪尔 －布洛杰特薄膜 ………………………………………………… １８７
５.１０ 电化学沉积 …………………………………………………………… １９０
５.１１ 溶胶 －凝胶薄膜 ……………………………………………………… １９２
５.１２ 总结 …………………………………………………………………… １９５
参考文献 ……………………………………………………………………… １９５
6 特殊纳米材料 ……………………………………………………………… ２０３
６.１ 引言……………………………………………………………………… ２０３
６.２ 碳富勒烯和纳米管 ……………………………………………………… ２０４
６.２.１ 碳富勒烯 …………………………………………………………… ２０４
６.２.２ 富勒烯衍生晶体 ……………………………………………………… ２０５
６.２.３ 碳纳米管 …………………………………………………………… ２０５
６.３ 微孔和介孔材料 ………………………………………………………… ２１１
６.３.１ 有序介孔结构 ………………………………………………………… ２１１
６.３.２ 无序介孔结构 ………………………………………………………… ２１８
６.３.３ 晶态微孔材料： 沸石 ………………………………………………… ２２２
６.４ 核 －壳结构……………………………………………………………… ２２８
６.４.１ 金属 －氧化物结构 …………………………………………………… ２２９
６.４.２ 金属 －聚合物结构 …………………………………………………… ２３１
６.４.３ 氧化物 －聚合物纳米结构 …………………………………………… ２３１
６.５ 有机 －无机杂化物 ……………………………………………………… ２３３
６.５.１ 第一类杂化物 ………………………………………………………… ２３３
６.５.２ 第二类杂化物 ………………………………………………………… ２３４
６.６ 插层化合物……………………………………………………………… ２３５
６.７ 纳米复合材料和纳米晶材料 …………………………………………… ２３７
６.８ 反转蛋白石……………………………………………………………… ２３９
６.９ 生物诱导纳米材料 ……………………………………………………… ２４１
６.１０ 总结 …………………………………………………………………… ２４２
参考文献 ……………………………………………………………………… ２４２
7 物理法制备纳米结构 ……………………………………………………… ２５５
７.１ 引言……………………………………………………………………… ２５５
７.２ 刻蚀……………………………………………………………………… ２５６
７.２.１ 光刻 ………………………………………………………………… ２５７
７.２.２ 相移光刻 …………………………………………………………… ２５９
７.２.３ 电子束光刻…………………………………………………………… ２６０Ⅴ
７.２.４ Ｘ 射线光刻…………………………………………………………… ２６２
７.２.５ 聚焦离子束（ＦＩＢ）光刻 ……………………………………………… ２６３
７.２.６ 中性原子束光刻 ……………………………………………………… ２６６
７.３ 纳米操纵和纳米光刻 …………………………………………………… ２６７
７.３.１ 扫描隧道显微镜（ＳＴＭ） ……………………………………………… ２６７
７.３.２ 原子力显微镜（ＡＦＭ） ………………………………………………… ２６９
７.３.３ 近场扫描光学显微镜（ＮＳＯＭ） ………………………………………… ２７０
７.３.４ 纳米操纵 …………………………………………………………… ２７１
７.３.５ 纳米光刻 …………………………………………………………… ２７５
７.４ 软光刻…………………………………………………………………… ２７９
７.４.１ 微接触印刷…………………………………………………………… ２８０
７.４.２ 模塑 ………………………………………………………………… ２８１
７.４.３ 纳米压印 …………………………………………………………… ２８２
７.４.４ 蘸笔纳米光刻 ………………………………………………………… ２８３
７.５ 纳米粒子及纳米线的组装 ……………………………………………… ２８４
７.５.１ 毛细管力 …………………………………………………………… ２８４
７.５.２ 弥散相互作用 ………………………………………………………… ２８７
７.５.３ 剪切力辅助组装 ……………………………………………………… ２８７
７.５.４ 电场辅助组装 ………………………………………………………… ２８７
７.５.５ 共价键连接组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.６ 重力场辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.５.７ 模板 －辅助组装 ……………………………………………………… ２８８
７.６ 其他微制造方法 ………………………………………………………… ２８９
７.７ 总结……………………………………………………………………… ２９０
参考文献 ……………………………………………………………………… ２９０
8 纳米材料的表征和性能 …………………………………………………… ２９９
８.１ 引言……………………………………………………………………… ２９９
８.２ 结构表征………………………………………………………………… ３００
８.２.１ Ｘ 射线衍射（ＸＲＤ） …………………………………………………… ３００
８.２.２ 小角度 Ｘ 射线散射（ＳＡＸＳ） …………………………………………… ３０１
８.２.３ 扫描电子显微镜（ＳＥＭ） ……………………………………………… ３０３
８.２.４ 透射电子显微镜（ＴＥＭ） ……………………………………………… ３０７
８.２.５ 扫描探针显微镜（ＳＰＭ） ……………………………………………… ３０８
８.２.６ 气体吸附 …………………………………………………………… ３１１
８.３ 化学表征 ……………………………………………………………… ３１２Ⅵ
８.３.１ 光谱 ………………………………………………………………… ３１２
８.３.２ 电子谱 ……………………………………………………………… ３１５
８.３.３ 离子谱 ……………………………………………………………… ３１６
８.４ 纳米材料的物理性能 …………………………………………………… ３１８
８.４.１ 熔点和晶格常数 ……………………………………………………… ３１８
８.４.２ 力学性能 …………………………………………………………… ３２２
８.４.３ 光学性能 …………………………………………………………… ３２４
８.４.３.１ 表面等离子共振 ………………………………………………… ３２４
８.４.３.２ 量子尺寸效应 …………………………………………………… ３２９
８.４.４ 电导 ………………………………………………………………… ３３１
８.４.４.１ 表面散射………………………………………………………… ３３２
８.４.４.２ 电子结构的变化 ………………………………………………… ３３５
８.４.４.３ 量子输运………………………………………………………… ３３５
８.４.４.４ 微结构效应 ……………………………………………………… ３３７
８.４.５ 铁电体和电介质 ……………………………………………………… ３３８
８.４.６ 超顺磁性 …………………………………………………………… ３４１
８.５ 总结 …………………………………………………………………… ３４３
参考文献 ……………………………………………………………………… ３４３
9 纳米材料的应用 …………………………………………………………… ３５３
９.１ 引言……………………………………………………………………… ３５３
９.２ 分子电子学和纳米电子学 ……………………………………………… ３５４
９.３ 纳米机器人……………………………………………………………… ３５５
９.４ 纳米粒子的生物应用 …………………………………………………… ３５６
９.５ 金纳米粒子催化剂 ……………………………………………………… ３５８
９.６ 带隙工程量子器件 ……………………………………………………… ３５９
９.６.１ 量子阱器件…………………………………………………………… ３５９
９.６.２ 量子点器件…………………………………………………………… ３６０
９.７ 纳米力学 ……………………………………………………………… ３６２
９.８ 碳纳米管发射器 ………………………………………………………… ３６３
９.９ 纳米材料的能源应用 …………………………………………………… ３６５
９.９.１ 光电化学电池 ………………………………………………………… ３６５
９.９.２ 锂离子充电电池 ……………………………………………………… ３６７
９.９.３ 储氢 ………………………………………………………………… ３７０
９.９.４ 热电器件 …………………………………………………………… ３７２
９.１０ 纳米材料的环境应用 ………………………………………………… ３７４Ⅶ
９.１１ 光子晶体和等离子波导 ……………………………………………… ３７５
９.１１.１ 光子晶体 …………………………………………………………… ３７５
９.１１.２ 等离子波导 ………………………………………………………… ３７７
９.１２ 总结 …………………………………………………………………… ３７７
参考文献 ……………………………………………………………………… ３７８
附录……………………………………………………………………………… ３８９
附录 １ 元素周期表 ………………………………………………………… ３８９
附录 ２ 国际单位 …………………………………………………………… ３９０
附录 ３ 基本物理常数 ……………………………………………………… ３９０
附录 ４ １４ 种三维晶格类型 ………………………………………………… ３９１
附录 ５ 电磁波谱 …………………………………………………………… ３９２
附录 ６ 希腊字母表 ………………………………………………………… ３９２
索引……………………………………………………………………………… ３９４
中文版后记 ……………………………………………………………………… ４０６
作者和译者简介 ………………………………………………………………… ４０８
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