纳米材料和器件导论

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内容简介:
纳米材料具有许多传统材料无法媲美的奇异特性和特殊功能,具有广阔的应用前景,纳米科学与技术的概念和研究方法已经融入很多学科和领域。本书全面系统地介绍了各种纳米材料的特性、制备方法和应用,特别是对过去十几年中备受瞩目、有着巨大发展潜力的一些纳米材料给予了重点论述,对发展中的新型纳米器件也给予了特别关注。本书内容分为12章,包括纳米材料及其基本特性、纳米材料的检测与分析、碳纳米管、半导体量子点、纳米磁性材料、纳米氧化钛光催化材料、氧化锌的光电和压电应用、纳米超导材料、纳米生物材料、纳米能源材料、纳米复合材料、DNA纳米技术。每章分别附有参考文献,便于读者进一步阅读和研究。
本书可作为大专院校材料及相关专业高年级学生和研究生的教学用书,也可作为高校和科研院所相关专业的师生和科技人员的参考用书。




目录: 第1章 纳米材料及其基本特性1
1.1 纳米简史1
1.2 纳米材料的特性3
1.2.1 纳米材料的完美定律3
1.2.2 纳米效应3
1.2.3 天然纳米效应6
1.3 纳米效应的物理原理7
1.3.1 电子能级的不连续性8
1.3.2 久保理论8
1.3.3 量子尺寸效应9
1.3.4 小尺寸效应10
1.3.5 表面效应12
1.3.6 介电限域效应12
参考文献13第2章 纳米材料的检测与分析14
2.1 纳米材料粒径检测分析15
2.2 纳米材料电学性质检测与分析16
2.3 纳米材料磁学性质检测与分析 17
2.4 纳米材料力学性质检测与分析18
2.5 纳米材料热学性质检测与分析19
2.6 纳米材料光学性质检测与分析 21
2.7 扫描式探针显微术22
2.7.1 STM的工作原理23
2.7.2 STM的工作模式23
2.7.3 STM的应用--原子操纵术24
2.7.4 STM的优点25
2.8 原子力显微镜26
2.8.1 AFM的工作原理26
2.8.2 AFM扫描模式比较27
2.8.3 AFM应用举例28
参考文献28第3章 碳纳米管30
3.1 碳的同素异形体及结构30
3.1.1 碳的同素异形体30
3.1.2 碳的同素异形体的结构30
3.1.3 单层石墨材料32
目 录纳米材料和器件导论 3.2 碳纳米管的种类和性质32
3.2.1 碳纳米管的种类32
3.2.2 碳纳米管的特性32
3.2.3 碳纳米管的电子结构35
3.3 碳纳米管的制备35
3.4 碳纳米管的应用37
3.4.1 碳纳米管与微电子学37
3.4.2 碳纳米管的其他应用48
参考文献50第4章 半导体量子点52
4.1 半导体量子点的物理基础52
4.1.1 量子限域效应52
4.1.2 激子和发光54
4.1.3 激子结合能计算56
4.2 半导体量子点制备技术58
4.3 半导体量子点在纳米电子和光电子中的应用60
4.3.1 砷化铟量子点激光器60
4.3.2 量子点之光学特性62
4.4 单光子光源65
4.4.1 量子光学与HB-T干涉实验66
4.4.2 单量子点光谱与单光子辐射68
参考文献70第5章 纳米磁性材料71
5.1 纳米磁性材料的类型71
5.1.1 人工纳米磁性材料和天然纳米磁性材料71
5.1.2 磁性纳米材料的分类72
5.2 纳米磁性材料的基本特征75
5.2.1 磁畴75
5.2.2 超顺磁性76
5.2.3 交换作用77
5.2.4 矫顽力Hc78
5.2.5 居里温度78
5.2.6 磁化率79
5.3 一些具体的纳米磁性材料79
5.3.1 磁性液体79
5.3.2 磁性微球82
5.3.3 一维纳米丝82
5.3.4 二维纳米薄膜84
5.3.5 磁性纳米复合物85
5.3.6 纳米双相复合硬磁85
5.3.7 高频微波纳米磁性材料86
5.4 纳米磁性材料的制备方法88
5.4.1 制备方法分类88
5.4.2 制备方法的具体实例89
5.5 巨磁电阻材料94
5.5.1 巨磁电阻效应和应用94
5.5.2 磁电阻的分类及比较96
5.5.3 巨磁电阻效应的物理机制98
5.5.4 GMR生物传感器100
参考文献104第6章 纳米氧化钛光催化材料105
6.1 纳米氧化钛光催化原理105
6.1.1 光催化技术的发展概况105
6.1.2 半导体(TiO2)光催化原理106
6.2 纳米氧化钛材料的制备108
6.3 纳米氧化钛光催化材料的应用110
参考文献113第7章 氧化锌的光电和压电应用114
7.1 氧化锌的光电应用114
7.1.1 氧化锌的光电特性114
7.1.2 ZnO的外延生长116
7.1.3 ZnO量子点的光学特性117
7.1.4 有序排列ZnO纳米线阵列的控制合成117
7.2 氧化锌的压电应用120
7.2.1 压电效应120
7.2.2 氧化锌的压电应用--纳米发电机121
参考文献127第8章 纳米超导材料128
8.1 超导电性128
8.2 超导电性的物理原理129
8.3 超导体的分类130
8.3.1 低温超导体130
8.3.2 高温超导体130
8.3.3 其他新型超导体131
8.4 纳米超导体131
8.4.1 纳米超导体的研究进展131
8.4.2 纳米超导研究的难点134
8.5 纳米超导体的应用136
8.5.1 量子计算机136
8.5.2 纳米超导体量子比特137
参考文献147第9章 纳米生物材料148
9.1 纳米生物材料149
9.1.1 概述149
9.1.2 药物和基因纳米载体材料149
9.1.3 纳米生物陶瓷材料151
9.1.4 磁性纳米粒子152
9.1.5 纳米生物复合材料152
9.2 纳米生物医药材料153
9.2.1 纳米无机生物材料153
9.2.2 纳米有机生物材料154
9.2.3 药物的纳米化技术155
9.2.4 生物芯片155
9.2.5 纳米生物医药材料的发展方向156
9.3 磁性微粒子在医学上的应用157
9.4 纳米粒子在生物分析中的应用 159
9.4.1 金属纳米粒子在生物分析中的应用 159
9.4.2 荧光纳米球乳液在生物分析中的应用160
9.4.3 发光量子点在生物分析中的应用161
9.5 量子点在生物及医学分析中的应用162
9.5.1 量子点在生物及医学分析中的应用162
9.5.2 量子点用于活体方面的研究165
9.6 纳米磁性材料在热疗中的研究进展166
9.6.1 热疗的背景166
9.6.2 磁热疗167
9.6.3 热疗用磁性材料168
9.6.4 磁热疗用磁性材料的产热机理168
参考文献170第10章 纳米能源材料171
10.1 纳米储能材料172
10.1.1 氢能源特点和发展目标173
10.1.2 不同储氢方式的比较173
10.1.3 储氢材料技术现状174
10.2 燃料电池177
10.2.1 燃料电池的基本概念177
10.2.2 各种燃料电池的比较178
10.2.3 质子交换膜180
10.2.4 纳米燃料电池182
10.3 染料敏化纳米晶体太阳能电池182
10.3. 1 太阳能电池的现状182
10.3.2 太阳能电池的种类183
10.3.3 染料敏化纳米晶体太阳能电池186
参考文献193第11章 纳米复合材料195
11.1 复合材料的概念和历史195
11.2 纳米材料的表面改性及其应用196
11.2.1 纳米表面工程196
11.2.2 纳米粒子表面改性的机理197
11.2.3 纳米粒子的表面改性剂198
11.2.4 纳米粒子改性的方法199
11.2.5 改性纳米粒子的应用200
11.3 核壳结构复合纳米材料201
11.3.1 核壳型复合结构的特点201
11.3.2 复合方法201
11.3.3 核壳结构形成机理203
11.3.4 材料性质的改变204
11.3.5 核壳型复合纳米材料的应用前景205
参考文献206第12章 DNA纳米技术208
12.1 DNA的基本特性208
12.1.1 DNA的特殊结构208
12.1.2 DNA的导电性208
12.1.3 一个最简单的DNA传导等效模型211
12.1.4 DNA分子器件的优势212
12.2 DNA纳米技术213
12.2.1 DNA用于纳米粒子的组装213
12.2.2 DNA模板自组装的驱动力214
12.2.3 DNA作为模板制备分子导线215
12.3 DNA分子马达217
12.3.1 Drexler 猜想217
12.3.2 DNA分子马达的发展218
12.3.3 DNA分子马达的基本原理219
12.3.4 DNA分子马达的应用220
参考文献222

前言: 纳米材料与器件是纳米科技的核心和基础,随着纳米材料的制备方法、结构表征、性能测试技术的发展,利用这种特殊的纳米效应,研制出新的器件并推动纳米科技的应用和发展,这是科学技术发展的必然规律。我们根据国内外纳米材料与器件的发展趋势和热点对本书内容进行了精心选择,编写主要围绕以下三部分内容,即纳米材料的一般性质和检测手段、潜力巨大的纳米材料和应用、新型的纳米器件和分子器件的设计与研制而展开。我们希望本书和对应的课程既能够开启相关专业学生获取这方面知识的便捷之门,又能够帮助学生们理解这方面的应用,甚至走向实际应用的研究之路。
本书的内容来自三个方面: 一是作者自己的研究,二是选自图书期刊中的文献,三是取自网络资源。有些内容来自一些经典的影响较大的文献,这些文献的引用率相当高,提供的信息很有借鉴意义。对于选自网络的信息,我们都进行了核实和甄别,对于一些网上没有注明出处,经检索仍无法确定出处而确实又需要引用的信息,我们谨向原作者表示歉意和感谢。由于纳米材料和器件方面的参考资料众多,涉及的文献可能仍有遗漏,在此,我们要再一次为自己的疏失而表示歉意,同时我们要向这些内容的原作者表达我们的敬谢之意。
出版有关纳米科技的中文版教材是我们多年的夙愿。感谢清华大学出版社的大力支持,使我们的愿望能够顺利实现。
鉴于我们的水平所限,加之编写时间仓促,书中的缺点和遗漏在所难免,敬请读者批评指正。