施普林格 纳米技术手册 导读版 原书第2版PDF电子书下载

绪论 1

1 纳米技术介绍 1

Bharat Bhushan 1

1.1 纳米技术—定义和范例 1

1.2 研究背景和科研投入 4

1.3 向自然学习（仿生学） 6

1.4 在不同领域的应用 7

1.5 各种论题 8

1.6 科研培训 8

1.7 手册组织结构 9

参考文献 9

第一部分 纳米结构，微/纳米加工技术和材料 9

2 纳米材料的合成与应用：分子元器件 13

Francisco M. Raymo 13

2.1 纳米结构材料的化学合成方法 13

2.2 分子开关与逻辑门 18

2.3 固态器件 26

2.4 结论与展望 38

参考文献 39

3 碳纳米管介绍 43

Marc Monthioux，Philippe Serp，Emmanuel Fahaut，Manitra Razafinimannana，ChristopheLaurent，Aiain Peigney，Wolgang Bacse，Jean-Marc Broto 43

3.1 碳纳米管结构 44

3.2 碳纳米管合成 49

3.3 碳纳米管的生长机理 65

3.4 碳纳米管特性 69

3.5 以碳纳米管为基础的纳米器件 74

3.6 碳纳米管的应用 80

3.7 结语 95

参考文献 95

4 纳米线 113

MlidredS.Dresselhaus，Yu-Ming Lin，Oded Rabin，Marcie R.Black，Jing Kong，Gene Mresselhaus 113

4.1 合成 115

4.2 纳米线的表征及其物理特性 124

4.3 应用 145

4.4 结语 152

参考文献 153

5 基于模板方法的纳米棒及纳米线阵列制备 161

Huamei（Mary）Shang，Guo zhong Cao 161

5.1 基于模板的方法 162

5.2 电化学沉积 163

5.3 电泳沉积 167

5.4 模板填充 172

5.5 反应模板转化 174

5.6 总结和结语 174

参考文献 175

6 用聚焦离子束化学气相沉积进行三维纳米结构构建 179

Shinji Matsui 179

6.1 三维纳米结构构建 180

6.2 纳米机电学 183

6.3 纳米光学：来自于大闪蝶的启示 190

6.4 纳米生物学 191

6.5 总结 194

参考文献 195

7 微/纳米加工技术介绍 197

Babak Ziaie，Antonio Baldi，Massood Z.Atashbar 197

7.1 基础微加工技术 197

7.2 微机电系统（MEMS）加工技术 210

7.3 纳米加工技术 222

7.4 总结和结论 233

参考文献 233

8 纳米压印光刻技术 239

Helmut Schift，Anders Kristensen 239

8.1 新兴的纳米图案化方法 241

8.2 纳米压印过程 244

8.3 纳米压印的工具和材料 255

8.4 应用 262

8.5 结论和展望 268

参考文献 270

9 冲压技术在微/纳米加工技术中的应用 279

Elienne Menard，John A.Rogers 279

9.1 高分辨率冲压 280

9.2 微接触印刷 282

9.3 纳米转印 284

9.4 应用 288

9.5 结论 295

参考文献 295

10 微/纳机电系统材料 299

Christian A.Zorman，Mehran Mehregany 299

10.1 硅 299

10.2 锗材料 306

10.3 金属 307

10.4 恶劣环境半导体 309

10.5 GaAs，InP和相关的III—V材料 314

10.6 铁电材料 316

10.7 聚合物材料 317

10.8 未来趋势 318

参考文献 319

11 纳米体系机械分散设计机理的复杂性和突出性 323

David Wendell，Dean Ho，Carlo D.Montemagno 323

11.1 定义 324

11.2 自然界中分散系统的例子和试验分析 331

11.3 设计突现行为于纳米系统中：合成分散纳米结构的主要例子 334

11.4 结论 343

参考文献 343

12 纳米尺度的热电材料 345

Joseph P.Heremans 345

12.1 热电学前景 347

12.2 低维固体化合物的热电传输理论 349

12.3 量子阱的二维热电传输 359

12.4 量子线的一维热电传输 360

12.5 准零维系统，含量子点固体材料 366

12.6 结论 370

参考文献 370

13 宏观电子学中的纳米/微米结构半导体材料 375

Yugang Sun，Seung-Hyun Hur，John A.Rogers 375

13.1 半导体纳米材料的分类及其制备 377

13.2 塑料基片上有序纳米结构薄膜的制备 384

13.3 在宏观电子学中的应用 389

13.4 展望 395

参考文献 395

第二部分 微机电系统/纳机电系统和生物微机电系统/纳机电系统 401

14 下一代DNA杂交与自组装纳米加工器件 401

Michael J.Heller，Benjamin Sullivan，Dietrich Dehlinger，Paul Swanson，Dalibor Hodko 401

14.1 电子微阵列技术 403

14.2 电场辅助的纳米加工过程 409

14.3 结论 411

参考文献 411

15 MEMS/NEMS设备与应用 415

Darrin J.Young，Christian A.Zorman，Mehran Mehregany 415

15.1 微机电系统（MEMS）设备与应用 417

15.2 纳机电系统（NEMS） 436

15.3 目前的挑战和未来趋势 439

参考文献 440

16 纳米微悬臂阵列传感器 443

Hans Peter Lang，Martin Hegner，Christoph Gerber 443

16.1 技术 443

16.2 微悬臂传感器 445

16.3 操作模式 446

16.4 微加工 450

16.5 测量装置 450

16.6 功能化技术 453

16.7 应用 455

16.8 结论和展望 455

参考文献 456

17 纳米治疗设备 461

Stephen C.Lee，Mark Ruegsegger，Philip D.Barnes，Bryan R.Smith，Mauro Ferrari 461

17.1 定义和探讨范围 462

17.2 合成方法：“自上而下”与“自下而上”的纳米治疗设备元件的合成方法. 467

17.3 技术上和生物学上的机遇 470

17.4 纳米治疗设备的应用 488

17.5 结语：应用中和发展前景中的障碍 496

参考文献 499

18 G蛋白偶联受体：表面展示和生物传感器技术 505

Edward J.McMurchie，Wayne R.Leifert 505

18.1 GPCR（G蛋白偶联受体）一蛋白活化循环 507

18.2 GPCRs和G蛋白的制备 509

18.3 GPCR信号的测量 509

18.4 GPCR生物传感 511

18.5 GPCR信号的蛋白质工程 517

18.6 GPCRs在纳米技术中的前景 520

参考文献 520

19 微流控技术及其在芯片实验室中的应用 523

Chong H.Ahn.Jin-Woo Choi 523

19.1 微流控设备所用材料和微米/纳米预制技术 524

19.2 活性微流控设备 527

19.3 小型惰性微流控设备 532

19.4 用于生化分析的芯片实验室 540

参考文献 545

20 基于离心机制的流控平台 549

Jim Zoval.Guangyao Jia.Horacio Kido，Jitae Kim，Nahui Kim，Marc J.Madou 549

20.1 为什么向心力产生流体推进 550

20.2 光碟或微型离心流控技术 552

20.3 CD的应用 556

20.4 总结 567

参考文献 568

21 在微流控设备中的微米/纳米液滴 571

“Mike”Yung-Chieh Tan，Abraham“Abe”Lee 571

21.1 活性或可编程液滴系统 572

21.2 惰性液滴控制技术 575

21.3 应用 582

21.4 总结 584

参考文献 584

第三部分 扫描探针显微技术 591

22 扫描探针显微术—工作原理、仪器构造及探针 591

Bharat Bhushan，Othmar Marti 591

22.1 扫描隧道显微镜 593

22.2 原子力显微镜 597

22.3 原子力显微镜的仪器系统及数据分析 613

参考文献 630

23 扫描显微术中的探针 637

Jason H.Hafner 637

23.1 原子力显微术 638

23.2 扫描隧道显微术 648

参考文献 649

24 非接触式原子力显微术和相关专题 651

Franz.J.Giessibl，Yasuhiro Sugawara.Seizo Morita，Hirotaka Hosoi，Kazuhisa Sueoka，Koichi Mukasa，Akira Sasahara，Hiroshi Onishi 651

24.1 原子力显微术 652

24.2 在半导体材料中的应用 657

24.3 在绝缘体材料中的应用 663

24.4 在分子研究中的应用 670

参考文献 673

25 低温扫描探针显微术 679

Markus Morgenstern，Alexander Schwarz，Udo D.Schwarz 679

25.1 低温条件下显微镜的操作使用 680

25.2 仪器系统 681

25.3 扫描隧道显微镜及谱学技术 685

25.4 扫描力显微镜及谱学技术 698

参考文献 710

26 动态力显微术中的高阶谐波力检测 717

Ozgur Sahrni，Calvin F.Quale，Olav Solgaard，Franz J.Giessibl 717

26.1 轻敲模式AFM中的针尖样品间相互作用力模型 718

26.2 采用弯曲共振技术增益相互作用力中的一个特征谐波分量 721

26.3 通过扭转振动检测时间分辨的针尖样品间作用力 724

26.4 应用举例 727

26.5 在小振幅条件下的高阶谐波原子力显微术 731

参考文献 735

27 原子力显微术的动态力测量模式 737

A.Schirmeisen，B.Anczykowski，Harald Fuchs 737

27.1 研究动因：测量单原子键作用力 737

27.2 谐振子：动态AFM模型系统 741

27.3 动态力AFM的工作模式 743

27.4 Q控制 754

27.5 应用动态力AFM测量能量耗散过程 758

27.6 总结 762

参考文献 762

28 分子识别力显微术：从简单键合到复杂能量景貌 767

Peter Hinterdorfer，Ziv Reich 767

28.1 针尖配体化学 768

28.2 探针表面的受体固定 770

28.3 单分子识别力检测 771

28.4 分子识别力谱原理 773

28.5 识别力谱：从孤立的分子到生物膜 775

28.6 识别成像 782

28.7 总结 784

参考文献 784

第四部分 纳米摩擦学和纳米力学 791

29 纳米摩擦学，纳米力学和材料表征 791

Bharat Bhushan 791

29.1 AFM/FFM与其他测量技术 793

29.2 表面成像，摩擦力和黏附力 804

29.3 磨损，擦刮，局部变形和预制/加工 829

29.4 压痕 837

29.5 边界润滑 841

29.6 结语 852

参考文献 853

30 分子级单层膜的表面力和纳米流变学 859

Marina Ruths，Jacob N.Israelachvili 859

30.1 简介：表面力的种类 860

30.2 用于研究表面力的方法 862

30.3 干燥（非润滑）表面间的法向力 866

30.4 液体里表面间的法向力 870

30.5 黏附力和毛细作用力 880

30.6 简介：摩擦的不同方式和连续区模型的局限 886

30.7 在干燥表面（非润滑和固体边界润滑）的黏附力和摩擦力之间的关系 887

30.8 液体润滑的表面 898

30.9 摩擦下的纳米级结构作用 909

参考文献 913

31 界面力和限制流体的谱学研究Y.Elaine Zhu，Ashis Mukhopadhyay，Steve Granick 925

31.1 在微米或纳米级流控技术中液体流动的水动力：关于非滑动边界的一个问题 926

31.2 疏水相互作用和疏水界面上的水 932

31.3 限制流体的超快光谱研究：超快光谱和测力仪器的结合 938

31.4 对分子级薄膜的摩擦和扩散进行对比 941

31.5 剪切过程中受限分子的扩散 945

31.6 总结 946

参考文献 946

32 对存在液体和单分子膜的固体表面上的纳米尺度黏附的扫描探针研究 951

Robert W.Carpick，James Batteas，Maarten P.de Boer 951

32.1 纳米尺度黏附的重要性 951

32.2 测量黏附力的技术 952

32.3 力、位移和针尖的校准 957

32.4 在黏附过程中液体毛细作用的效果 959

32.5 自组装单层膜 968

32.6 结语 973

参考文献 974

33 原子级的摩擦和磨损 981

Enrico Giecco，Roland Bennewitz，Oliver Pfeiffer，Anisoara Socoliuc，Ernst Meyer 981

33.1 超高真空条件下的摩擦力显微术 982

33.2 Tomlinson 模型 986

33.3 原子级的摩擦力实验 988

33.4 原子摩擦的热效应 992

33.5 纳米级接触的几何效应 996

33.6 原子级剪切 999

33.7 原子摩擦和剪切的分子动力学模拟 1001

33.8 在非接触式原子力显微术中的能量耗散 1004

33.9 总结 1006

参考文献 1007

34 纳米级摩擦、黏附和磨损的速度依赖性 1011

Nikhil S.Tambe，Bharat Bhushan 1011

34.1 纳米摩擦学研究科学和工程问题 1012

34.2 仪器操作 1014

34.3 纳米级摩擦和黏附的速度依赖性 1017

34.4 主控摩擦力区域和机制 1020

34.5 纳米级摩擦力制图 1035

34.6 在高滑动速度条件下剪切力的研究 1037

34.7 纳米技术中的低摩擦和低黏附材料 1043

34.8 结语 1045

参考文献 1046

35 计算机模拟纳米级压痕和摩擦 1051

Susan B.Sinnott，Seong-Jun Heo，Donald W.Brenner，Judith A.Harrison 1051

35.1 计算的细节 1052

35.2 压痕 1057

35.3 摩擦和润滑 1072

35.4 结语 1096

参考文献 1097

36 纳米尺度力学性质—测量技术及其应用 1107

Andrzej J. Kulik，Andras Kis，Gérars Gremaud，Stefan Hengsberger，GustavoS.Luengo，Philippe K.Zysset，LászlóForró 1107

36.1 动态接触式AFM测量的局部力谱 1108

36.2 静态方法—介观样本、剪切和杨氏模量 1113

36.3 扫描纳米压痕—干性和湿性条件下生物组织的纳米力学性质测定 1121

36.4 结语和展望 1132

参考文献 1133

37 固体表面和薄膜的纳米力学性质 1137

Adrian B.Mann 1137

37.1 仪器操作 1138

37.2 数据分析 1144

37.3 变形模式 1152

37.4 薄膜和多层膜 1156

37.5 发展中的领域 1161

参考文献 1161

38 力学性质和摩擦学中的尺度效应Bharat Bhushan，Michael Nosonovsky 1167

38.1 术语 1167

38.2 简介 1169

38.3 力学性质的尺度效应 1171

38.4 表面粗糙度和接触参数的尺度效应 1175

38.5 摩擦力的尺度效应 1178

38.6 剪切力的尺度效应 1190

38.7 接触面温度的尺度效应 1190

38.8 结语 1191

38.A 粒子尺寸分布统计 1192

参考文献 1196

39 生物纳米技术中的力学问题 1199

Rob Phillips，Prashant K.Purohit，JanéKondev 1199

39.1 生物—纳米技术交叉科学 1200

39.2 生物—纳米体系中的相关尺度 1206

39.3 纳米—生物体系中的建模问题 1212

39.4 自然界中的纳米技术：以病毒为研究对象 1215

39.5 结语 1220

参考文献 1220

40 使用原子力显微术和纳米压痕技术表征人发的结构、纳米力学及纳米摩擦学特性 1223

Bharat Bhushan，Carmen La Torre，Guohua Wei 1223

40.1 人类头发、皮肤、护发产品 1226

40.2 实验技术 1235

40.3 结构的AFM表征 1246

40.4 纳米压痕和纳米划痕的纳米力学表征 1252

40.5 大尺寸摩擦学表征 1266

40.6 使用AFM表征纳米摩擦 1269

40.7 总结 1300

40.A 护发素厚度的估算 1302

参考文献 1302

41 纳米结构的力学特性 1305

Bharat Bhushan 1305

41.1 测定纳米结构力学性质的实验技术 1307

41.2 实验结果与讨论 1312

41.3 粗糙面及划痕纳米结构的有限元分析 1326

41.4 总结 1332

参考文献 1333

第五部分 润滑的分子薄膜 1339

42 硬质超薄无定形碳膜的纳米摩擦学 1339

Bharat Bbushan 1339

42.1 通用膜沉积技术简介 1343

42.2 化学及物理涂层的特性 1347

42.3 涂层的微机械及摩擦特性 1353

42.4 总结 1374

参考文献 1375

43 用于控制黏附、摩擦及磨损的自组装单层膜 1379

Bharat Bhushan 1379

43.1 有机化学简论 1382

43.2 自组装单层膜：基底，联接链和末端基团 1386

43.3 自组装单层膜的摩擦特性 1389

43.4 总结 1410

参考文献 1411

44 纳米尺寸边界的润滑研究 1417

Bharat Bhushan，Huiwen Liu 1417

44.1 润滑剂细节 1418

44.2 纳米变形、分子构型及润滑延展 1420

44.3 边界润滑研究 1422

44.4 总结 1436

参考文献 1436

45 纳米润滑中的动力学和热力学Rene M.Overney，George W.Tyndall，Jane Frommer 1439

45.1 背景：从块体材料润滑到分子润滑 1441

45.2 润滑摩擦的热运动模型 1443

45.3 润滑模型的功能行为 1444

45.4 基于微小不变性的接点的热力学模型 1446

45.5 高斯统计的限制—分形空间 1447

45.6 反应润滑的分形运动性 1448

45.7 较大变性接点的亚稳润滑体系 1450

45.8 总结 1451

参考文献 1451

第六部分 工业应用 1457

46“千足虫”—基于纳米技术的AFM数据存储系统 1457

Gerd K.Binnig，G.Cherubini，M.Despont，Urs T.Dürig，Evangelos Eleftheriou，H.Pozidis，Peter Vettiger 1457

46.1 千足虫的概念 1459

46.2 热机械AFM数据存储 1460

46.3 阵列的设计、技术及加工 1462

46.4 阵列表征 1463

46.5 X/Y/Z介质微扫描仪 1465

46.6 32×32排列芯片的初次读写结果 1467

46.7 高分子介质 1469

46.8 读取通道模型 1475

46.9 系统的其他方面 1479

46.10 总结 1484

参考文献 1484

47 用于数据存储的纳米技术 1487

Dror Sarid，Brendan McCarthy，Ghassan E.Jabbour 1487

47.1 商业数据存储器的现代地位 1489

47.2 纳米技术为数据存储提供的新机遇 1495

47.3 总结 1506

参考文献 1507

48 磁盘文件双级伺服系统的微驱动装置 1509

Roberto Horowitz，Tsung-Lin（Tony）Chen，Kenn Oldham，Yun feng Li，Xinghui Huang，Shih-Chung Kon，Ryozo Nagamune 1509

48.1 静电微驱动装置的设计 1511

48.2 装配 1520

48.3 MEMS微驱动装置双级伺服系统的伺服控制设计 1528

48.4 结论和展望 1541

参考文献 1542

49 纳米机器人技术 1545

Bradley J.Nelson，Lixin Dong 1545

49.1 概述 1546

49.2 纳米尺寸的驱动 1547

49.3 纳米机器操作系统 1549

49.4 纳米机器组装 1555

49.5 应用 1563

参考文献 1566

第七部分 微/纳米器件的可靠性 1575

50 MEMS/NEMS及生物MEMS/NEMS材料和装置的纳米摩擦和材料特性 1575

Bharat Bhushan 1575

50.1 简介 1576

50.2 硅和相关物质的摩擦研究 1593

50.3 MEMS/NEMS的润滑研究 1600

50.4 硅基的生物分子表面和多聚物涂层表面的摩擦研究 1606

50.5 纳米图形化表面 1611

50.6 成分研究 1616

50.7 总结 1627

50.A 微/纳米装配方法附录 1628

参考文献 1631

51 微/纳装置的实验表征技术Kimberly L.Turner，Peter G.Hartwell 1639

51.1 研究动因 1639

51.2 动态MEMS/NEMS的应用 1640

51.3 测试/表征技术 1640

51.4 范例：表征一个平面内的MEMS驱动装置 1654

51.5 测试设计 1659

参考文献 1659

52 MEMS/NEMS装置的失效机理 1663

W.Merlijn van Spengen，Robert Modlinski，Robert Puers，Anne Jourdain 1663

52.1 故障模式及失效机理 1663

52.2 电荷相关的故障机制 1665

52.3 蠕动、疲劳、磨损、以及与封装相关的故障 1671

52.4 总结 1681

参考文献 1681

53 微机械加工结构的力学性质 1685

Harold Kahn 1685

53.1 基底上薄膜的力学性质测定 1685

53.2 测定力学性质的微机械结构 1686

53.3 力学性质的测量 1696

参考文献 1699

54 薄膜微/纳米结构的力热/力电学行为 1703

Martin.L.Dunn.Shawn J.Cunningham 1703

54.1 多层膜结构的力热学 1705

54.2 薄膜结构的力电学 1726

54.3 总结及其他主题 1744

参考文献 1745

55 微机电系统（MEMS）产品的批量生产和现场稳定性 1749

Jack Martin 1749

55.1 生产策略 1752

55.2 可靠制造技术 1754

55.3 性能稳定性 1769

参考文献 1772

56 微/纳米系统中的封装和稳定性 1777

Jongbaeg Kim.Yu-Ting Cheng，Mu Chiao，Liwei Lin 1777

56.1 微/纳米电力学的封装 1777

56.2 密封和真空封装及其应用 1783

56.3 与热相关的因素和封装可靠性 1791

56.4 未来趋势和总结 1798

参考文献 1799

第八部分 技术融合与纳米技术的掌控 1807

57 纳米尺度上的技术融合 1807

William Sims Bainbridge 1807

57.1 纳米科学的协同作用 1807

57.2 纳米尺度技术的融合动态 1810

57.3 道德、法律和社会影响 1811

57.4 合成演化 1814

57.5 技术融合的文化影响 1816

57.6 总结 1819

参考文献 1819

58 掌控纳米技术：社会、道德和人类论题 1823

William Sims Bainbridge 1823

58.1 社会科学背景 1823

58.2 纳米技术对人类的影响 1827

58.3 纳米技术的规范化 1830

58.4 纳米技术的人文内涵 1832

58.5 总结 1835

参考文献 1835

致谢 1841

作者简介 1845

主题词索引 1877