纳米材料与纳米技术

《纳米材料与纳米技术》从“基础—性能—应用”链条出发，系统地介绍了纳米材料的基本结构、理论基础、物理性质和化学性质，概括了纳米材料的制备方法和优选分析表征手段，分析了纳米加工技术及器件的制备，着重总结了纳米材料和纳米技术在能源采集、存储与无线传感领域和在生物医学领域中的应用。《纳米材料与纳米技术》可用作高等院校材料、能源类专业的教材，同时可作为凝聚态物理学，半导体材料与器件、环境科学、生物医学材料等多学科专业的教学和参考用书。

杨维清，博士，教授，四川省杰出青年基金获得者。2007年硕士毕业于四川大学原子与分子物理专业，主要应用密度泛函理论研究半导体材料的物理特性，毕业后到成都信息工程学院工作。2009年评为讲师，2011年博士毕业于四川大学材料学院凝聚态物理专业，并获得理学博士学位。2011年破格晋升副教授，2011年10月在电子科大电子薄膜与集成器件国家重点实验室做博士后，主要从事白光LED荧光材料的制备以及LED封装技术与理论研究工作。2013年1月2014年2月，到美国佐治亚理工学院王中林院士课题组从事纳米能源材料与微电子集成器件的博士后研究。近年来，在Advanced Materials, Nano Letters, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Energy Materials等国际著*名刊物上发表论文91篇，均为SCI刊源，16篇影响因子大于10，4篇ESI高引论文。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist等近10家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。

第1章纳米材料的结构单元
1.1纳米材料的定义与分类1
1.1.1纳米材料的定义1
1.1.2纳米材料的分类2
1.1.3纳米材料的新特性3
1.2纳米材料的基本结构单元5
1.2.1零维单元5
1.2.2一维纳米结构11
1.2.3二维纳米结构13
习题15
参考文献15

第2章纳米材料的基本理论
2.1纳米材料的能带理论17
2.1.1固体能带理论简介17
2.1.2纳米材料的能带理论20
2.2表面与界面效应21
2.2.1纳米材料的表面原子22
2.2.2纳米材料的表面能23
2.2.3表面重构与表面态24
2.3小尺寸效应26
2.3.1小尺寸效应定义27
2.3.2小尺寸效应对纳米材料性质的影响27
2.4量子尺寸效应31
2.4.1量子概念与能级31
2.4.2量子尺寸效应对纳米材料性质的影响32
2.5宏观量子隧道效应33
2.5.1宏观量子隧道效应的定义33
2.5.2弹道传输33
2.5.3非弹性隧穿34
2.6纳米材料的其他效应35
2.6.1库仑堵塞效应35
2.6.2介电限域效应35
2.6.3量子限域效应36
习题36
参考文献37

第3章纳米材料的物理特性
3.1纳米材料的力学性能38
3.1.1纳米材料的弹性39
3.1.2纳米材料的强度与硬度40
3.1.3纳米材料的塑性42
3.1.4纳米材料的超塑性43
3.1.5纳米金属材料的强度与塑性44
3.2纳米材料的热学性能46
3.2.1纳米材料的熔点46
3.2.2纳米材料的热导率47
3.2.3纳米材料的比热容48
3.2.4纳米材料的热膨胀50
3.3纳米材料的光学性能51
3.3.1纳米材料的光吸收51
3.3.2纳米材料的颜色53
3.3.3纳米材料的发光54
3.3.4纳米材料的磁光效应57
3.4纳米材料的电学性能60
3.4.1纳米材料的电阻率61
3.4.2纳米材料的热电性能64
3.4.3纳米材料的超导性能65
3.4.4纳米材料的介电性能66
3.4.5纳米材料的压电性能67
3.5纳米材料的磁学性能68
3.5.1纳米磁性材料的磁矩68
3.5.2纳米磁性材料的居里温度69
3.5.3纳米磁性材料的饱和磁化强度与矫顽力69
3.5.4纳米磁性材料的巨磁阻效应71
习题72
参考文献72

第4章纳米材料的化学特性
4.1纳米材料的自组装76
4.1.1自组装特性77
4.1.2自组装机理78
4.1.3自组装实例80
4.2纳米材料的吸附特性83
4.2.1非电解质吸附83
4.2.2电解质吸附84
4.3纳米材料的催化特性85
4.3.1纳米金属催化85
4.3.2半导体纳米颗粒的光催化86
4.3.3纳米金属和半导体粒子的热催化87
4.4纳米材料的晶体特性87
4.5纳米材料的表面缺陷特性89
4.6纳米材料的团聚特性93
4.6.1团聚特性简介93
4.6.2团聚动力学模型96
习题98
参考文献99

第5章纳米材料的制备
5.1零维纳米材料的制备101
5.1.1零维纳米材料制备概述101
5.1.2典型零维纳米材料的制备102
5.1.3微孔和介孔纳米材料的制备108
5.2一维纳米材料的制备112
5.2.1一维纳米材料概述112
5.2.2典型一维碳纳米管的制备112
5.2.3模板合成113
5.3二维纳米薄膜的制备115
5.3.1二维纳米薄膜概述115
5.3.2二维纳米薄膜生长的原理116
5.3.3二维纳米薄膜的制备方法117
5.4纳米复合材料的制备123
5.4.1纳米复合材料概述123
5.4.2核壳结构材料的制备123
5.4.3插层纳米复合材料的制备125
5.4.4陶瓷基纳米复合材料的制备125
5.4.5金属基纳米复合材料的制备126
5.4.6聚合物纳米复合材料的制备127
习题129
参考文献129

第6章纳米材料的分析表征
6.1纳米材料的结构分析131
6.1.1纳米材料的有序度分析131
6.1.2纳米材料的分子结构解析136
6.2纳米材料的粒度分析140
6.2.1粒度分析的概念140
6.2.2粒度分析的意义141
6.2.3粒度分析方法141
6.3纳米材料的形貌分析143
6.3.1形貌分析的重要性与种类143
6.3.2扫描电子显微镜形貌分析144
6.3.3透射电子显微镜形貌分析144
6.3.4扫描隧道显微镜形貌分析147
6.4纳米材料的成分分析149
6.4.1成分分析的重要性与种类149
6.4.2表面与微区成分分析149
6.4.3体相元素成分分析151
6.5纳米材料表面电子结构的分析153
6.5.1X射线光电子能谱153
6.5.2紫外光电子能谱156
6.5.3X射线吸收精细结构157
习题161
参考文献161

第7章优选纳米加工技术
7.1纳米减材制造技术165
7.1.1光学曝光技术165
7.1.2短波长曝光技术173
7.1.3激光加工技术176
7.1.4纳米压印技术179
7.1.5刻蚀技术183
7.1.6聚焦离子束技术188
7.2纳米增材制造技术189
7.2.1薄膜沉积技术189
7.2.2薄膜剥离技术196
7.2.3喷墨打印技术199
7.2.43D打印技术200
习题201
参考文献201

第8章纳米材料与纳米技术的应用
8.1纳米材料与纳米技术在能量收集领域的应用204
8.1.1纳米发电机概述205
8.1.2纳米发电机的理论基础205
8.1.3纳米发电机的工作机理208
8.1.4纳米材料和纳米技术在纳米发电机中的应用208
8.2纳米材料和纳米技术在电化学能源领域的应用215
8.2.1纳米材料和纳米技术在锂离子电池中的应用216
8.2.2纳米材料和纳米技术在超级电容器中的应用219
8.2.3纳米材料和纳米技术在燃料电池中的应用228
8.3纳米材料与纳米技术在信息领域的应用231
8.3.1纳米信息探测材料232
8.3.2纳米信息传输材料234
8.3.3纳米信息存储材料235
8.4纳米材料和纳米技术在无线传感领域的应用237
8.4.1纳米材料与无线传感237
8.4.2纳米技术与多功能传感集成系统240
8.5纳米材料和纳米技术在生物医学领域的应用243
8.5.1纳米生物材料简介243
8.5.2纳米材料在生物医学领域的应用247
习题249
参考文献250