纳米科学与技术导论PDF电子书下载

1 纳米科学技术的基本概念与发展历程 1

1.1 纳米科学技术发展的历史回顾 1

1.1.1 自然界的纳米结构 1

1.1.2 纳米科技概念的提出与发展 2

1.1.3 纳米科技概念的形成与相关的重要事件 3

1.2 纳米科学技术的定义 4

1.2.1 纳米 4

1.2.2 纳米科学和技术 4

1.3 纳米科技的研究领域 5

1.3.1 纳米材料 5

1.3.2 纳米器件 6

1.3.3 纳米结构的检测与表征 7

1.4 纳米材料的特性 7

1.4.1 小尺寸效应 7

1.4.2 表面效应 8

1.4.3 量子尺寸效应 8

1.4.4 宏观量子隧道效应 9

1.5 纳米科技的深远影响 9

1.5.1 纳米科技将促使人类认知的革命 9

1.5.2 纳米科技将引发一场新的工业革命 10

1.5.3 纳米科技将影响未来人类的生活方式和思维方式 11

1.6 纳米科技的应用展望 11

1.6.1 材料和制备 12

1.6.2 纳米电子学、光电子学、磁学与计算机技术 12

1.6.3 纳米医学和生物学与健康 13

1.6.4 国防科技与国家安全 14

1.6.5 环境保护 15

1.7 发达国家在纳米科技方面研究水平和部署状况 16

1.7.1 发达国家在纳米科技领域内的发展水平 16

1.7.2 发达国家对纳米科技领域的部署 18

1.8 我国纳米科技的发展状况 20

参考文献 23

2 纳米科技研究工具：实验方法和探针 24

2.1 现代科学和技术的进步 24

2.1.1 聚集的粒子束 24

2.1.2 电子显微镜 25

2.1.3 扫描探针电子显微镜 25

2.1.4 二维和三维的纳米结构的操纵 27

2.1.5 平行探针簇 28

2.1.6 原位测定和过程控制 28

2.1.7 纳米结构材料的表征 29

2.2 现有的纳米尺度测定和所获得成就 29

2.2.1 单分子操纵和测定 30

2.2.2 SEM中的纳米操纵器 32

2.2.3 多功能近场结合和表面力显微 33

2.3 纳米科技未来的发展目标 34

参考文献 37

3 纳米科学与技术的理论、建模和模拟 41

3.1 TM&S是纳米科学与技术研究的基础 41

3.2 TM&S领域的研究成就 43

3.2.1 纳米粒子分子计算的计算复杂性尺度和定标（界定） 43

3.2.2 纳米润滑作用 44

3.2.3 碳纳米管模拟 46

3.2.4 量子点的模拟 46

3.2.5 DNA分子动力学的分子模拟 47

3.2.6 硅纳米晶体中量子限制的模拟 48

3.2.7 压电聚合物的分子动力学模拟 49

3.3 TM&S的重要发展领域 50

参考文献 52

4 纳米材料的分散和涂覆 53

4.1 产品性能的强化 53

4.2 纳米粒子分散与涂覆成功应用所要具备的条件 54

4.3 纳米粒子分散和涂覆的应用行业 55

4.4 纳米材料分散与涂覆的研究和开发现状 56

4.4.1 美国 56

4.4.2 欧洲和日本 58

4.5 纳米材料的分散与涂覆发展趋势 59

参考文献 61

5 高表面积材料 63

5.1 高比表面积纳米结构材料主要用途和制备途径 63

5.2 簇团和纳米晶体材料 65

5.2.1 纳米结构金属催化剂新的催化性质 65

5.2.2 控制至少一维纳米粒子用于工业上具有重要意义的加氢脱硫反应（HDS） 67

5.2.3 受控的惰性气体缩合形成铈纳米簇团制备非化学计量CeO2x纳米微晶 67

5.2.4 金属盐的电化学还原 68

5.2.5 用催化离解H2来加强能量贮存 68

5.3 具有自组装特征的高表面积材料 69

5.3.1 沸石材料 69

5.3.2 碳材料 71

5.3.3 微孔和密实超薄膜 72

5.4 纳米级制备和表征的未来发展 73

5.5 总结 74

参考文献 74

6 块体纳米材料的性质 76

6.1 结构性纳米材料的力学性能 77

6.1.1 弹性性能 77

6.1.2 硬度和强度 78

6.1.3 延展性和韧性 79

6.1.4 超塑性 80

6.2 纳米晶体材料的独特力学性能 81

6.3 强磁性纳米结构块体材料 82

6.3.1 软磁纳米晶体合金 82

6.3.2 永磁材料 83

6.3.3 巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance） 84

6.3.4 其他强磁性纳米晶体材料 84

6.3.5 纳米晶体储存氢材料 85

6.3.6 纳米晶体抗蚀材料 85

6.4 纳米结构块体材料的应用特征 85

6.5 纳米结构性块体材料的发展机遇与挑战 86

参考文献 87

7 纳米电子器件 90

7.1 微电子晶体管的结构、运行、小型化障碍 91

7.1.1 金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和运行 91

7.1.2 FETs微型化的难点 93

7.2 固态量子效应与单电子纳米电子器件 94

7.2.1 岛、势阱和量子效应 95

7.2.2 谐振隧道器件（resonant tunneling device） 97

7.2.3 器件类型间的区别：其他的能量效应 100

7.2.4 纳米电子器件的分类 101

7.3 分子电子学 104

7.3.1 分子电子开关器件分类 105

7.3.2 分子电子学的简要背景 106

7.3.3 分子线 107

7.3.4 量子效应分子电子器件 108

7.3.5 电子机械分子电子器件（Electromechanical Molecular Electronic Devices） 109

7.4 讨论与结论 114

参考文献 115

8 与生物相关的纳米粒子、纳米结构材料和纳米器件 128

8.1 纳米技术的构筑基础 129

8.1.1 合成 129

8.1.2 组装 130

8.2 分散体系 132

8.2.1 药物传输系统 132

8.2.2 纳米颗粒在卫生和污染方面的作用 133

8.3 高表面积材料 133

8.3.1 用于生物分离的薄膜 133

8.3.2 细菌细胞表面层作为模板元素 134

8.4 功能纳米结构 134

8.4.1 分子计算 134

8.4.2 光电子器件 134

8.4.3 分子马达 135

8.4.4 应用纳米颗粒进行生物输运的其他形式 135

8.5 生物电子学 135

8.6 增强材料 136

8.7 生物棒状磁体 136

8.8 生物纳米科学技术发展机遇与挑战 137

8.8.1 工程技术与产业化 137

8.8.2 表面相互作用以及生物分子与培养基之间的界面 137

8.8.3 生物分子的活性以及在水溶液中的相互作用 138

8.8.4 组装或者模板制备 138

8.8.5 纳米技术的组合方法 138

8.8.6 仿生学和聚合体-生物聚合体 138

参考文献 138

9 碳纳米管 142

9.1 富勒碳 142

9.1.1 富勒碳的结构 142

9.1.2 C60的制备和形貌 142

9.1.3 C60的性能和应用前景 143

9.2 碳纳米管的结构与分类 144

9.2.1 碳纳米管的微观结构 145

9.2.2 碳纳米管的分类 146

9.3 碳纳米管的物理化学性质 148

9.3.1 电磁性能 148

9.3.2 力学性能 149

9.3.3 热学性能 149

9.3.4 光学性能 150

9.4 碳纳米管的制备 152

9.4.1 电弧放电法 152

9.4.2 催化裂解法 153

9.4.3 激光蒸发法 154

9.4.4 化学气相沉积法 155

参考文献 156

10 纳米无机氧化物粉体 160

10.1 纳米二氧化钛 160

10.1.1 纳米二氧化钛的制备 161

10.1.2 纳米二氧化钛的光催化活性 164

10.1.3 纳米二氧化钛的应用 166

10.2 纳米二氧化硅 168

10.2.1 纳米二氧化硅的制备 168

10.2.2 纳米二氧化硅的特性 170

10.2.3 纳米二氧化硅的应用 170

10.3 纳米三氧化二铝 172

10.3.1 纳米三氧化二铝制备方法 173

10.3.2 纳米三氧化二铝的应用 175

10.4 纳米氧化锆 177

10.4.1 纳米二氧化锆的制备技术 178

10.4.2 纳米二氧化锆的应用 180

10.5 纳米氧化锌 182

10.5.1 纳米氧化锌材料的制备方法 183

10.5.2 纳米氧化锌的用途 185

参考文献 187

11 单分子纳米化学 193

11.1 分子导线 193

11.1.1 π-共轭低聚物分子导线 194

11.1.2 线性碳桥金属有机分子导线 195

11.2 分子电子器件 203

11.2.1 分子开关 203

11.2.2 分子整流器 203

11.3 繁枝体大分子化合物（Dendrimers） 205

11.3.1 基本概念和性质 205

11.3.2 繁枝大分子化合物的分类 206

11.3.3 繁枝体大分子合成方法 208

11.3.4 繁枝体大分子的应用 213

参考文献 214

12 纳米材料与器件的应用实例 219

12.1 工业制造、材料和产品 219

12.2 医学与人体 220

12.3 农业、水、能源、材料和环境清洁 220

12.4 航空 222

12.5 国家安全 222

12.6 纳米科学技术对未来各行业领域的商业影响 222

12.7 纳米技术的一些应用实例 223

12.7.1 磁存储应用中的巨磁阻效应 223

12.7.2 纳米结构催化剂 224

12.7.3 医药 225

12.7.4 纳米粒子强化的聚合物 226

12.7.5 电子器件两个实际应用例子 226

12.7.6 国家安全方面的应用——纳米生物探测 227

12.7.7 水纯化和脱盐 228

12.7.8 造纸业中的应用 228