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第1章 绪论 1

1.1 纳米半导体材料的定义 1

1.2 纳米半导体材料的基本特性 1

1.2.1 量子尺寸效应 2

1.2.2 小尺寸效应 2

1.2.3 表面与界面效应 3

1.2.4 量子隧穿效应 4

1.2.5 库仑阻塞效应 4

1.2.6 量子干涉效应 5

1.2.7 二维电子气和量子霍耳效应 5

1.3 纳米半导体材料的特殊性质 6

1.3.1 光学特性 6

1.3.2 光催化特性 7

1.3.3 光电转换特性 8

1.3.4 电学特性 8

1.3.5 表面活性与敏感特性 9

1.4 纳米半导体技术对各个领域的影响 9

1.4.1 纳米电子学与纳米半导体电子器件 9

1.4.2 纳米半导体光电子器件 10

1.4.3 纳米能源技术 12

1.4.4 环境纳米技术 13

1.4.5 纳米传感技术 14

1.4.6 纳米生物技术 14

参考文献 15

第2章 低维纳米半导体激光器材料与器件 16

2.1 半导体激光器发展的简要回顾 16

2.1.1 三维同质、异质结构的半导体激光器 16

2.1.2 二维量子阱结构的半导体激光器 17

2.1.3 一维量子线、零维量子点半导体激光器 18

2.2 半导体激光器基础 18

2.2.1 态密度和量子限制效应 18

2.2.2 光吸收、联合态密度、准费米能级和粒子数分布反转 18

2.2.3 载流子和光波的限制 19

2.2.4 激光阈值条件 20

2.2.5 半导体激光器主要性能参数及其表征 20

2.3 紫外至可见光量子阱激光器材料 20

2.3.1 GaN基激光器材料与器件 21

2.3.2 AlGaInP红光激光器材料与器件 27

2.4 近红外波段量子阱激光器材料 27

2.4.1 短波长AlGaAs/GaAs激光器材料 27

2.4.2 长波长InP基激光器材料 28

2.4.3 980nm InGaAs/GaAs应变量子阱激光器材料 28

2.5 2～3μm中红外波段量子阱激光器材料 29

2.5.1 GaInAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器材料 29

2.5.2 InGaAs/InGaAsP应变量子阱激光器材料 29

2.6 中远红外量子级联激光器材料 29

2.6.1 量子级联激光器的发展现状与趋势 29

2.6.2 量子级联激光器的工作原理 32

2.6.3 量子级联激光器的结构与特性 38

2.7 紫外波段氧化锌量子线阵列激光器 45

2.7.1 纳米氧化锌激子发光理论 46

2.7.2 氧化锌量子线阵列的外延生长 46

2.7.3 氧化锌量子线阵列的激光发射 49

参考文献 52

第3章 纳米电子材料和器件 57

3.1 从微电子学到纳米电子学 57

3.1.1 微电子器件发展的摩尔定律 57

3.1.2 纳米电子学的诞生 58

3.1.3 纳米电子学的研究基础 59

3.2 纳米电子材料和器件 61

3.2.1 纳米电子材料及其应用 61

3.2.2 电子器件的发展 61

3.2.3 纳米电子器件及其研究内容 62

3.3 纳米硅基CMOS器件 63

3.3.1 硅基MOS集成电路技术步入纳米尺度 63

3.3.2 纳米CMOS器件面临的挑战 63

3.3.3 纳米硅基CMOS器件结构 64

3.3.4 纳米体硅CMOS器件工艺 68

3.3.5 纳米体硅CMOS器件的量子效应 70

3.3.6 新型CMOS器件及其集成技术 71

3.4 固态纳米电子器件 74

3.4.1 量子电子器件的基本类型及其特征 74

3.4.2 共振隧穿器件 74

3.4.3 单电子器件 78

3.4.4 碳纳米管互连及其场效应晶体管 83

参考文献 95

第4章 纳米半导体气敏传感器 99

4.1 半导体气敏传感器分类 99

4.1.1 气敏传感器的应用与分类 99

4.1.2 半导体气敏传感器的分类 99

4.2 半导体气敏传感器的结构和工作原理 100

4.2.1 半导体气敏传感器的结构 100

4.2.2 半导体气敏传感器的工作原理 101

4.3 纳米SnO2薄膜气敏传感器 101

4.3.1 纳米SnO2薄膜气敏传感器 102

4.3.2 掺杂纳米SnO2薄膜气敏传感器 103

4.3.3 多组分氧化物复合的纳米SnO2薄膜气敏传感器 106

4.4 新型纳米半导体气敏材料与传感器 106

4.4.1 纳米In2O3气敏传感器 106

4.4.2 纳米NiO气敏传感器 109

4.4.3 纳米ZnO气敏传感器 110

4.4.4 纳米TiO2气敏传感器 117

4.4.5 尖晶石型铁酸盐（MFe2O4）纳米材料气敏传感器 119

4.4.6 纳米铜氧化物气敏传感器 121

4.4.7 纳米WO3气敏传感器 124

4.4.8 纳米ZnS气敏传感器 128

参考文献 130

第5章 基于半导体纳米材料的染料敏化太阳能电池 134

5.1 染料敏化太阳能电池概况 134

5.1.1 太阳能电池的发展现状与新方向 134

5.1.2 染料敏化太阳能电池特点及产业化前景 135

5.2 染料敏化太阳能电池的结构组成 136

5.2.1 纳米结构的光阳极 136

5.2.2 电解质体系 137

5.2.3 染料敏化剂 137

5.2.4 对电极 137

5.3 染料敏化太阳能电池的工作原理 137

5.3.1 半导体-溶液界面 137

5.3.2 染料敏化半导体表面以及光诱导电荷分离 138

5.3.3 染料敏化太阳能电池工作原理 139

5.4 基于TiO2纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池 141

5.4.1 染料敏化TiO2太阳能电池的发展概况 141

5.4.2 多孔TiO2纳米晶薄膜DSC 141

5.4.3 一维TiO2纳米结构染料敏化太阳能电池 142

5.4.4 TiO2核壳纳米结构DSC 153

5.4.5 TiO2量子点敏化纳米结构DSC 155

5.5 基于ZnO纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池 163

5.5.1 染料敏化ZnO太阳能电池的发展历史 163

5.5.2 ZnO纳米晶粒薄膜DSC 163

5.5.3 ZnO纳米线DSC 164

参考文献 171

第6章 纳米半导体光催化材料与光催化技术 175

6.1 光催化技术应用 175

6.1.1 光催化在环境治理方面的应用 175

6.1.2 光催化分解水制氢 175

6.1.3 光催化抗菌 176

6.1.4 光催化提取贵金属 176

6.1.5 光催化化学合成 176

6.2 纳米半导体光催化的基本原理 177

6.2.1 带隙激发 177

6.2.2 去活化过程 178

6.2.3 半导体光催化反应机理 179

6.2.4 反应过程动力学 180

6.3 TiO2微纳米空心球 181

6.3.1 模板法制备中空TiO2微球 181

6.3.2 在离子液体中制备TiO2空心球 191

6.3.3 利用Ostwald生长机理制备TiO2空心球 192

6.4 TiO2介孔材料 194

6.4.1 溶胶-凝胶法制备介孔TiO2纳米材料 194

6.4.2 超声水解法制备介孔TiO2纳米材料 196

6.4.3 水热法制备介孔TiO2纳米材料 197

6.4.4 蒸发诱导自组装法制备介孔TiO2纳米材料 201

6.5 分级纳米结构半导体光催化材料 207

6.5.1 分级结构钨酸铋纳米材料 207

6.5.2 钛酸铋钠分级结构纳米材料 211

6.5.3 金属硫化物固溶体纳米棒自组装的分级纳米结构光催化材料 212

参考文献 213

第7章 荧光量子点纳米探针及其在生物医学领域的应用 216

7.1 生物标记技术 216

7.1.1 生物标记和标记物 216

7.1.2 免疫生物标记 217

7.1.3 纳米粒子和生物标记 217

7.2 量子点荧光纳米探针的构建 218

7.2.1 荧光量子点的基本特性 218

7.2.2 荧光量子点的合成 220

7.2.3 荧光量子点的表面修饰 230

7.3 量子点在生物医学领域的应用 245

7.3.1 量子点应用于细胞成像及活细胞动态过程的实时示踪 245

7.3.2 量子点应用于活体动物标记成像 246

7.3.3 量子点在微生物检测中的应用 249

7.3.4 量子点在生物大分子相互作用及相互识别中的应用 250

参考文献 251