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