第一篇 化学吸附：化学键-能带-势垒 3
第1章 第一篇绪论 3
1.1 内容概览 3
1.2 表面化学吸附概述 4
1.3 现存问题 5
1.3.1 化学键本质和成键动力学 5
1.3.2 原子化合价调制 6
1.3.3 谱学一致性 7
1.3.4 表面重构驱动力 8
1.3.5 功函数和内势变化 8
1.3.6 成键主控因素 9
1.4 本篇主旨 9
参考文献 10
第2章 化学键-能带-势垒（3B）关联理论 17
2.1 基本概念 17
2.1.1 化学键：原子间作用势和电子在能量和实空间的分布 17
2.1.2 化学吸附的成键环境 18
2.1.3 成键效应与非键类型 20
2.1.4 表面键收缩 22
2.2 电负性元素的吸附成键：四面体结构化学键 23
2.3 能带结构：价带态密度特征 24
2.4 表面势垒与形貌 27
2.5 总结 28
参考文献 29
第3章 原子化合价及键结构的STM和LEED表征 31
3.1 相序 32
3.2 O-Cu（001），（110），（111） 32
3.2.1 O-Cu （001） 32
3.2.2 O-Cu（110） 36
3.2.3 O-Cu （111） 43
3.2.4 O-Cu （001）的VLEED表征 44
3.2.5 O-Cu （110）的XRD表征 62
3.2.6 小结 63
3.3 O-（Rh，Pd）（110） 64
3.3.1 STM形态学和结晶学 64
3.3.2 化学键和原子化合价的表述公式 67
3.4 O-（Co， Ru） （1010）表面的三相序 70
3.4.1 STM形态学和结晶学 70
3.4.2 化学键和原子化合价的表述公式 73
3.5 O-Rh（111）和O-Ru（0001） 77
3.5.1 STM形态学和结晶学 77
3.5.2 化学键和原子化合价的表述公式 81
3.6 O-（Ag， V）（001） 83
3.6.1 O-Ag （001） 83
3.6.2 O-V （001） 84
3.7 O-Rh（001）和（N，C）-Ni （001） 88
3.7.1 实验现象 88
3.7.2 <11>向菱形链的表述公式 92
3.7.3 驱动力和键应力的定量表征 94
3.8 Cu3C2H2分子 96
3.9 总结 97
参考文献 98
第4章 价带态密度的STS和PES表征 109
4.1 基本概念 109
4.1.1 STS 110
4.1.2 PES、IPES和XPS 111
4.1.3 DOS特征的普适性 119
4.2 关于DOS特征的说明 119
4.3 氮化物的价带DOS 121
4.4 总结 122
参考文献 122
第5章 键性和键强的TDS表征 127
5.1 TDS与功函数的关系 127
5.2 说明 131
5.3 总结 132
参考文献 132
第6章 非键相互作用的EELS和Raman表征 135
6.1 偶极子振动的EELS表征 135
6.2 氧化物、氮化物及生物分子中孤对电子的Raman表征 137
6.3 总结 138
参考文献 139
第7章 化学键的形成与转变动力学 141
7.1 氧化物四步成键动力学 141
7.2 氧浮动和扩散所致键转变 143
7.3 总结 144
参考文献 144
第8章 材料与工序的设计 147
8.1 氮致反常物性 148
8.2 群对称性：腐蚀与防腐 149
8.3 孤对电子相互作用：高弹性和高强度 150
8.4 极化：电磁调制 152
8.5 带隙调制：光致发光 154
8.5.1 N原子受主：电子-空穴对的产生 154
8.5.2 氧化物的蓝光发射 155
8.6 功函数：场发射 158
8.7 几何选择性：金刚石的氧化 159
8.8 金刚石-金属结合性能强化 162
8.9 展望：分子官能团 163
8.9.1 B-、 C-、 N-、 O-和F-诱导高T c超导性 163
8.9.2 CF4在人造血液中的抗凝血功能 163
8.9.3 NO信号和活体细胞 164
8.10 总结 165
参考文献 165
第9章 第一篇结束语 171
9.1 基本理论 171
9.1.1 表面本征行为 171
9.1.2 化学键性质和成键动力学 172
9.1.3 氧化物四面体的取向特性 173
9.1.4 吸附成键的主要特征 175
9.1.5 重构驱动力 175
9.1.6 成键主控因素 176
9.2 实验技术的功能拓展 176
9.2.1 STM和STS 176
9.2.2 PES、TDS、EELS和VLEED 177
9.3 应用前景 177
9.4 一些建议 177
参考文献 180
第二篇 纳米固体尺度效应 183
第10章 第二篇绪论 183
10.1 内容概览 183
10.2 尺寸效应概述 184
10.3 主要挑战 187
10.4 本篇主旨 187
参考文献 187
第11章 键弛豫（BOLS）与非键电子极化（NEP）理论 193
11.1 断键理论 194
11.1.1 势垒限域 194
11.1.2 原子低配位 194
11.2 键长与键能弛豫 195
11.2.1 原子配位数-原子半径关系 195
11.2.2 BOLS的相关符号 195
11.2.3 泡令的相关符号 197
11.2.4 BOLS的物理意义 197
11.2.5 BOLS的化学意义 199
11.3 非键电子极化 200
11.3.1 非键电子的作用 200
11.3.2 非键电子的极化 200
11.4 形状与尺寸效应 201
11.4.1 核-壳模型：表体比 201
11.4.2 局域键平均近似 202
11.5 尺度关系 203
11.5.1 LBA尺度关系 203
11.5.2 表体比 204
11.6 总结 205
参考文献 207
第12章 固体表皮的键弛豫和致密化 211
12.1 表皮键弛豫 211
12.1.1 单层弛豫 211
12.1.2 多层弛豫 214
12.2 液相表皮、气相和界面键弛豫 214
12.3 纳米固体致密化 215
12.3.1 典型实例 215
12.3.2 可能的物理机制 217
12.3.3 BOLS表述 217
12.3.4 应变诱导的刚度强化 220
12.4 能量钉扎 221
12.5 总结 221
参考文献 221
第13章 端态和边界态的钉扎与极化效应 229
13.1 原子链、纳米线和纳米团簇 229
13.1.1 量子钉扎与极化 229
13.1.2 钉扎无极化的Co和Pt 234
13.2 单层石墨和石墨带边界 235
13.2.1 缺陷和边界：钉扎及极化 235
13.2.2 单层薄膜：钉扎无极化 237
13.2.3 配位数与键能的关系 237
13.2.4 狄拉克-费米极化子 238
13.3 总结 239
参考文献 239
第14章 热稳定性与原子结合能 243
14.1 结合能 243
14.1.1 基本概念 243
14.1.2 现有模型 244
14.1.3 BOLS表述 245
14.1.4 原子空位的形成 246
14.2 固液相变 248
14.2.1 过冷：表面预熔 248
14.2.2 过热：界面效应 251
14.2.3 BOLS表述 251
14.2.4 验证：液化与气化 253
14.2.5 固体熔点的尺寸效应 257
14.2.6 小结 259
14.3 固体相变 259
14.3.1 实验现象 259
14.3.2 BOLS表述 263
14.3.3 验证：临界尺寸 265
14.4 扩散和晶体生长 267
14.4.1 扩散率 267
14.4.2 晶体生长 270
14.4.3 晶体尺寸和禁带宽度的热调控 273
14.5 总结 274
参考文献 274
第15章 声子弛豫及晶格动力学 287
15.1 引言 287
15.1.1 光学声子硬化 288
15.1.2 光学声子软化 289
15.2 BOLS表述 291
15.2.1 振动模式 291
15.2.2 振动频率 291
15.2.3 频移尺寸效应 292
15.3 实验验证 293
15.3.1 光学模与二聚体的振动频率 293
15.3.2 低频拉曼振动频率 294
15.3.3 表面原子振动的振幅与频率 296
15.4 总结 296
参考文献 297
第16章 电子的钉扎与极化 301
16.1 实验观测 301
16.1.1 芯能级偏移 301
16.1.2 经典模型 305
16.2 BOLS-TB表述 306
16.2.1 哈密顿量和能级分裂 306
16.2.2 配位数效应解析 308
16.3 配位数与电子结合能 309
16.3.1 表面分辨量子钉扎 309
16.3.2 表面能 313
16.4 纳米固体的芯能级偏移 315
16.4.1 表面、尺寸及边界势阱 316
16.4.2 势阱的芯-壳模型辨析 317
16.4.3 石墨烯的层数效应 319
16.4.4 尺寸诱导极化 321
16.5 电亲和势与功函数 322
16.5.1 电亲和势的调制 322
16.5.2 功函数的调制 322
16.6 总结 325
参考文献 326
第17章 带隙展宽：光发射与光吸收 333
17.1 背景 333
17.2 现有模型 336
17.3 BOLS表述 337
17.3.1 能带形成 337
17.3.2 哈密顿量微扰 338
17.4 光发射和光吸收的过程 339
17.4.1 电子-声子耦合作用 339
17.4.2 带隙展宽 341
17.4.3 光致发光蓝移 343
17.5 带宽和带尾 344
17.5.1 带宽：电荷致密化 344
17.5.2 带尾与表面态 345
17.6 GNR的带隙展宽 345
17.6.1 实验与计算的差异 345
17.6.2 杂质态 347
17.6.3 边界量子钉扎 348
17.6.4 色散线性化 349
17.7 总结 350
参考文献 350
第18章 电子极化与介电调制 359
18.1 背景 359
18.2 BOLS表述 361
18.2.1 电子极化 361
18.2.2 复介电常数 362
18.3 实验验证 364
18.3.1 介电调制 364
18.3.2 光吸收蓝移 367
18.4 总结 368
参考文献 368
第19章 纳米固体磁性调控：低配位与热耦合 371
19.1 背景 372
19.1.1 实验观测 372
19.1.2 现有机制 375
19.2 BOLS表述 376
19.2.1 电荷局域化 376
19.2.2 布里渊函数 377
19.3 实验和计算验证 378
19.3.1 Ni薄膜的室温磁性 378
19.3.2 蒙特卡罗模拟 378
19.4 总结 383
参考文献 384
第20章 非键电子学新奇特性 389
20.1 非键电子的重要性 389
20.2 稀磁性：缺陷钉扎偶极子 390
20.2.1 纳米尺度非磁性金属 390
20.2.2 石墨空位和GNR边界 390
20.2.3 氧化和氮化 392
20.2.4 边界态与稀磁性 392
20.3 导体-绝缘体转变：EG拓展和表面等离子体 393
20.4 催化的转变与强化 394
20.5 超疏水、超流、超滑和超固态 397
20.5.1 实验观测 398
20.5.2 现有机制 401
20.5.3 BOLS-NEP理论 402
20.5.4 电悬浮 403
20.6 电子能量的捕获 405
20.7 总结 406
参考文献 407
第21章 第二篇结束语 413
21.1 内容精要 413
21.2 局限性 415
21.3 展望 417
参考文献 418
第三篇 原子尺度多场固体力学 423
第22章 第三篇绪论 423
22.1 内容概览 423
22.2 概述 424
22.2.1 基本概念 424
22.2.2 挑战 427
22.3 本篇主旨 431
参考文献 432
第23章 多场耦合键弛豫理论 441
23.1 键弛豫理论的压强、应变和温度拓展 441
23.1.1 BOLS公式 441
23.1.2 热膨胀 443
23.1.3 高温与低压近似 446
23.2 多场耦合效应 447
23.3 影响机械强度的主要因素 448
23.4 总结 448
参考文献 449
第24章 液体与固体表面 453
24.1 实验观测 454
24.1.1 表面能量学：经典概念 454
24.1.2 固体表面：表面硬化或软化 457
24.1.3 液体表面：弹性、吸附和热激发 460
24.2 表面能量学的原子论 463
24.2.1 出发点 463
24.2.2 一些原子尺度的定义 463
24.3 解析表达式 465
24.3.1 表面能量参量 465
24.3.2 弹性性质和屈服强度 465
24.4 应变致表面弹性和应力 466
24.4.1 键性质与表面曲率 466
24.4.2 液体表面张力的温度效应 468
24.4.3 固体表面应力诱导的弹性和强度 471
24.5 吸附诱致表面应力-成键效应 471
24.5.1 实验观测 471
24.5.2 电子起源：电荷钉扎和极化 474
24.6 氮化增强弹性和硬度 475
24.6.1 实验观测 475
24.6.2 原子尺度机理阐释 476
24.7 总结 476
参考文献 477
第25章 单原子链：键的弛豫与断裂 485
25.1 实验观测 485
25.1.1 应变极限的温度效应 485
25.1.2 现有机制 487
25.2 T-BOLS表述 489
25.2.1 链的熔化 489
25.2.2 弹性和延展性 489
25.2.3 应变极限 490
25.3 化学键特性 491
25.3.1 单原子链化学键特性 491
25.3.2 比热容和断裂极限 491
25.3.3 单原子链的形成判据 493
25.4 总结 493
参考文献 494
第26章 单原子片、纳米管与纳米线 497
26.1 实验观测 498
26.1.1 刚度和弹性 498
26.1.2 热稳定性和化学稳定性 499
26.2 BOLS表述 500
26.3 实验验证 500
26.3.1 C—C键长的配位数效应 500
26.3.2 C—C键能及弹性 501
26.3.3 弹性性能的尺寸效应 502
26.3.4 CNT的超塑性 503
26.4 纳米线 504
26.4.1 弹性和强度 504
26.4.2 超塑性 506
26.4.3 断裂模式 507
26.5 总结 509
参考文献 509
第27章 纳米晶Ⅰ：弹性与延展性 517
27.1 相关机制 517
27.1.1 尺寸效应 517
27.1.2 温度效应 518
27.1.3 压强效应 519
27.2 TP-BOLS表述 519
27.2.1 尺寸、压力和温度效应 519
27.2.2 德拜温度和比热容 521
27.2.3 拉曼频移与杨氏模量 523
27.3 TP-BOLS理论预测 523
27.3.1 弹性和延展性 523
27.3.2 德拜温度和比热容 526
27.4 弹性和振动频率的尺寸、压力及温度效应 528
27.4.1 Au和Ag金属 528
27.4.2 第Ⅳ族元素 529
27.4.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体 534
27.4.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体 537
27.4.5 其他化合物半导体 538
27.5 总结 542
参考文献 542
第28章 纳米晶Ⅱ：屈服强度与塑性形变 553
28.1 Hall-Petch关系（HPR） 553
28.2 介观尺度模型 556
28.2.1 HPR-Ⅰ：线性硬化 557
28.2.2 IHPR-Ⅱ： HPR偏离 557
28.2.3 IHPR-Ⅲ：软化 557
28.2.4 HRP-IHPR转变 558
28.2.5 最强晶粒尺寸 559
28.2.6 IHPR与Tm的关系 559
28.3 双重竞争机制的T-BOLS表述 560
28.4 应用举例 562
28.4.1 IHPR的临界尺寸 562
28.4.2 相变温度 562
28.4.3 最强晶粒尺寸 563
28.4.4 最强尺寸 565
28.4.5 Tc （x）和Tm（x）的尺寸效应 567
28.4.6 准熔融态和超塑性 568
28.5 弹性与硬度 569
28.6 Tc的尺寸和压强效应 570
28.6.1 已知参量 570
28.6.2 相关机制 571
28.6.3 BOLS表述 571
28.6.4 实例验证 572
28.7 总结 574
参考文献 574
第29章 原子空位、纳米腔与泡沫金属 583
29.1 实验观测 583
29.1.1 原子空位和点缺陷 583
29.1.2 纳米腔 585
29.1.3 泡沫金属 586
29.2 现有模型 589
29.3 BOLS表述 591
29.4 验证实例 591
29.4.1 临界尺寸与总能 591
29.4.2 石墨烯键强 593
29.4.3 弹性与热稳定性 593
29.4.4 塑性与IHPR现象 594
29.5 总结 595
参考文献 595
第30章 化合物与纳米复合材料的异配位效应 601
30.1 背景 601
30.1.1 异质界面 601
30.1.2 孪晶界 603
30.1.3 纳米复合材料 604
30.1.4 高熵合金 605
30.2 机理 605
30.2.1 界面相互作用主导机制 605
30.2.2 离子性-键长-带隙主导机制 605
30.2.3 键长与电荷转移主导机制 606
30.3 BOLS表述 607
30.4 实例 608
30.4.1 界面键收缩 608
30.4.2 键性变化 609
30.4.3 田氏系列 610
30.5 界面能表征——XPS 613
30.5.1 界面能的原子尺度定义 613
30.5.2 界面的芯能移 614
30.5.3 界面的键能 616
30.5.4 能量密度和原子结合能 618
30.6 总结 619
参考文献 619
第31章 第三篇结束语 627
31.1 主要成果 627
31.2 局限性 630
31.3 展望 631
参考文献 633
附录 635
附录A Cu3O2四步成键动力学 635
附录B原子配位数-半径关系 636
附录C固体材料力学性能参数 637
参考文献 641
索引 643