1.Introduction to Nanoscale Materials 1
1.1 Introduction to the nanoworld 1
1.2 Definition of nanoscale materials 1
1.2.1 Nanometer 1
1.2.2 Definition of nanoscale materials 2
1.3 Classification of nanoscale materials 3
1.3.1 According to the spatial dimensionof materials 3
1.3.2 According to the quantumproperties of materials 4
1.3.3 According to material properties 12
1.3.4 According to the shape and chemical composition 12
1.4 Nanoscale science and technology 17
1.5 Driven by industrial revolution 17
1.6 Fundamental limitations of present technologies 18
1.7 Molecular electronics 18
1.8 Technical challenges in future 18
1.9 Applications of nanomaterials 20
1.9.1 Water purification 20
1.9.2 Nanocatalysts 20
1.9.3 Nanosensors 20
1.9.4 Energy 21
1.9.5 Medical applications 21
References 23
Review questions 25
Vocabulary 25
1.纳米材料概论 31
1.1 纳米世界概述 31
1.2 纳米材料的定义 31
1.2.1 纳米 31
1.2.2 纳米材料的定义 31
1.3 纳米材料的分类 32
1.3.1 依据材料的空间维度分类 32
1.3.2 依据材料的量子性质分类 32
1.3.3 依据材料的性能分类 37
1.3.4 依据形态和化学组成分类 37
1.4 纳米科学与技术 38
1.5 工业革命的驱动 39
1.6 目前技术的基础性缺陷 39
1.7 分子电子学 40
1.8 未来的技术挑战 40
1.9 纳米材料的应用 40
1.9.1 水的净化 41
1.9.2 纳米催化剂 41
1.9.3 纳米传感器 41
1.9.4 能源 41
1.9.5 医药中的应用 41
复习题 43
2.Nanometer Effects of Nanoscale Materials 44
2.1 Small size effec 44
2.2.Quantum size effect 45
2.2.1 Relationship between energy gap and particle size 45
2.2.2 Application 46
2.3 Surface effect 47
2.4 Macroscopic quantum tunnel effect 48
2.4.1 Ballistic transport 48
2.4.2 Tunneling 48
2.4.3 Resonance tunneling 49
2.4.4 Inelastic tunneling 50
2.4.5 Tunnel effect 50
2.4.6 Macroscopic quantum tunnel effect 50
References 51
Review questions 51
Vocabulary 52
2.纳米材料的纳米效应 52
2.1 小尺寸效应 53
2.2 量子尺寸效应 53
2.2.1 能隙与粒子尺寸的关系 53
2.2.2 应用 54
2.3 表面效应 54
2.4 宏观量子隧道效应 55
2.4.1 弹道传输 55
2.4.2 隧穿 55
2.4.3 共振隧穿 55
2.4.4 非弹性隧穿 55
2.4.5 隧道效应 56
2.4.6 宏观量子隧道效应 56
复习题 56
3.Properties of Nanoscale Materials 57
3.1 Mechanical properties 57
3.1.1 Positive Hall-Petch slopes 57
3.1.2 Negative Hall-Petch slopes 57
3.1.3 Positive and negative Hall-Petch slopes 58
3.2 Thermal properties 59
3.3 Magnetic properties 59
3.4 Electronic properties 60
3.5 Optical properties 62
3.5.1 Photochemical and photophysical processes of nanomaterials 62
3.5.2 Absorption and luminescence spectra 63
3.5.3 Ultraviolet-visible absorption spectroscopy 63
References 64
Review questions 65
Vocabulary 65
3.纳米材料的性能 66
3.1 力学性能 66
3.1.1 正的Hall-Petch斜率关系 67
3.1.2 负的Hall-Petch斜率关系 67
3.1.3 正-负Hall-Petch斜率关系 67
3.2 热学性能 67
3.3 磁学性能 68
3.4 电学性能 68
3.5 光学性能 69
3.5.1 纳米材料的光化学和光物理过程 69
3.5.2 吸收光谱和发光光谱 69
3.5.3 紫外-可见吸收光谱 70
复习题 70
4.Synthesis of Nanoscale Materials 71
4.1 “Top-down” and “bottom-up”approaches 71
4.2 Solid phase method 72
4.2.1 Mechanically milling 72
4.2.2 Solid-state reaction 74
4.3 Physical vapor deposition （PVD）method 75
4.3.1 Thermal evaporation PVD method 75
4.3.2 Plasma-asisted PVD method 77
4.3.3 Laser ablation 80
4.4 Chemical vapor deposition （CVD） method 80
4.5 Liquid phase synthesis method 82
4.5.1 Precipitation method 82
4.5.2 Solvethermal method 84
4.5.3 Freeze-drying method （Cryochemicalsynthesis method） 88
4.5.4 Sol-gel method 90
4.5.5 Microemulsions method 93
4.5.6 Microwave-assisted synthesis 96
4.5.7 Ultrasonic wave-assistedsynthesis 97
4.6 Synthesis of bulk materials by consolidation ofnanopowders 98
4.6.1 Cold compaction 98
4.6.2 Warm compaction 98
4.7 Template-assisted self-assembly nanostructured materials 99
4.7.1 Principles of self-assembly 99
4.7.2 Self-assembly of MCM-41 100
4.8 Self-assembly of nanocrystals 101
4.9 Synthesis and assembly of anisotropic nanoparticles 102
4.9.1 Anisotropic nanoparticles with feature size 102
4.9.2 Rod-like particles 102
4.9.3 Preparation of various shaped Pt nanoparticles 104
4.9.4 Preparation of various shaped Rh nanoparticles 105
4.10 Synthesis of polymeric one dimensional nanostructures （ODNS） 106
4.10.1 Electrospinning synthesis of polymer ODNS 106
4.10.2 Membrane/template-based synthesis of polymer ODNS 109
4.10.3 Template-free synthesis of polymer ODNS 110
4.11 Green nanosynthesis 111
4.11.1 Prevent wastes 111
4.11.2 Atom economy 112
4.11.3 Using safer solvents 112
4.11.4 Enhance energy efficiency 112
References 112
Review questions 117
Vocabulary 118
4.纳米材料制备 123
4.1 “自上而下”和“自下而上”的合成方法 123
4.2 固相方法 124
4.2.1 机械磨 124
4.2.2 固相反应 124
4.3 物理气相沉积法（PVD） 125
4.3.1 热蒸发PVD法 125
4.3.2 等离子体辅助PVD法 126
4.3.3 激光消融法 127
4.4 化学气相沉积法（CVD） 127
4.5 液相合成方法 128
4.5.1 沉淀法 128
4.5.2 溶剂热法 129
4.5.3 冷冻干燥法（低温化学合成法） 131
4.5.4 溶胶-凝胶法 132
4.5.5 微乳液方法 133
4.5.6 微波辅助合成 135
4.5.7 超声波辅助合成 135
4.6 通过固化纳米粉合成块材 136
4.6.1 冷压 136
4.6.2 热压 136
4.7 模板辅助自组装纳米结构材料 136
4.7.1 自组装原理 136
4.7.2 MCM-41自组装 137
4.8 自组装纳米晶 137
4.9 各向异性纳米粒子的合成和组装 137
4.9.1 具有特征尺寸的各向异性纳米粒子 137
4.9.2 棒状粒子 138
4.9.3 各种形貌Pt纳米粒子的制备 138
4.9.4 制备各种形貌的铑（Rh）纳米粒子 139
4.10 一维纳米结构（ODNS）聚合物的合成 139
4.10.1 电纺丝法合成一维纳米结构（ODNS）聚合物 140
4.10.2 基于膜或基于模板的一维纳米结构（ODNS）聚合物的合成 141
4.10.3 无模板剂的一维纳米结构（ODNS）聚合物的合成 141
4.11 绿色纳米合成 142
4.11.1 防止废弃物 142
4.11.2 原子经济 143
4.11.3 使用更安全的溶剂 143
4.11.4 提高能源效率 143
复习题 143
5.Scanning Tunneling Microscope and Atomic Force Microscope 144
5.1 Scanning tunneling microscope（STM） 144
5.1.1 Basic principle of STM 144
5.1.2 Operation modes 145
5.1.3 Application of STM 145
5.2 Atomic force microscope （AFM） 146
5.2.1 Basic principle of AFM 146
5.2.2 Mode of operation of AFM 147
5.2.3 Application of AFM 148
References 149
Review questions 150
Vocabulary 150
5.扫描隧道显微镜和原子力显微镜 151
5.1 扫描隧道显微镜（STM） 151
5.1.1 STM的基本原理 151
5.1.2 操作模式 151
5.1.3 STM的应用 151
5.2 原子力显微镜（AFM） 152
5.2.1 AFM的基本原理 152
5.2.2 AFM的操作模式 152
5.2.3 AFM的应用 153
复习题 153
6.Synthesis of Carbon Nanomaterials 154
6.1 Carbon family 154
6.1.1 Graphite and diamond 154
6.1.2 Allotrope of carbon 154
6.2 Fullerenes 155
6.2.1 Synthesis of C60 155
6.2.2 Purification of fullerenes 157
6.2.3 Structure of C60 158
6.2.4 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy 158
6.2.5 Endofullerenes 159
6.2.6 Nucleophilic addition reactions 160
6.2.7 Polymerization of C60 160
6.2.8 Fabrication of nanocar 161
6.3 Carbon nanotubes ［45］ 162
6.3.1 Synthesis of nanotubes 162
6.3.2 Growing mechanisms 166
6.3.3 Geometry of carbon nanotubes 167
6.4 Graphene 169
6.4.1 Properties of graphene 169
6.4.2 Synthesis of gaphene 170
References 176
Review questions 179
Vocabulary 180
6.碳纳米材料的合成 182
6.1 碳族 182
6.1.1 石墨和金刚石 182
6.1.2 碳的同素异形体 182
6.2 富勒烯 182
6.2.1 C60的合成 183
6.2.2 富勒烯的提纯 183
6.2.3 C60的结构 183
6.2.4 13C核磁共振谱 184
6.2.5 富勒烯包合物 184
6.2.6 亲核加成反应 184
6.2.7 C60的聚合反应 184
6.2.8 纳米车的制造 184
6.3 碳纳米管 184
6.3.1 碳纳米管的合成 184
6.3.2 生长机理 185
6.3.3 碳纳米管的几何构型 186
6.4 石墨烯 186
6.4.1 石墨烯的性质 187
6.4.2 石墨烯的合成 187
复习题 190
7.Lithography for Nanofabrication 191
7.1 Microfabrication by photolithography of ultraviolet light 191
7.2 Nanofabrication by scanning beam lithography 194
7.2.1 Electron beam lithograph 194
7.2.2 Focused ion beam lithography 194
7.3 Nanoimprint lithography 195
7.3.1 Nanoimprint lithography 195
7.3.2 Step-and-fiash imprint lithography 196
7.3.3 Microcontact printing 196
7.4 Scanning probe lithography 197
References 199
Review questions 200
Vocabulary 201
7.光刻技术用于纳米制造 202
7.1 紫外线光刻微制造 202
7.2 扫描束刻蚀纳制造 203
7.2.1 电子束刻蚀 203
7.2.2 聚焦离子束刻蚀 204
7.3 纳米压印刻蚀技术 204
7.3.1 纳米压印刻蚀 204
7.3.2 步进式闪烁压印光刻 204
7.3.3 微接触印制 205
7.4 扫描探针刻蚀 205
复习题 206
8.Nanotechnology for Production of Hydrogen by Solar Energy 207
8.1 Hydrogen economy 207
8.2 Hydrogen production 208
8.3 Conversion of solar energy 209
8.4 Hydrogen production by photocatalytic water splitting 210
8.5 Loading metal over TiO2 210
8.6 Development of visible-light-driven photocatalysts 211
8.6.1 Loading Cr3＋over titanate nanotubes 211
8.6.2 Semiconductor composition 212
References 216
Review questions 217
Vocabulary 217
8.纳米技术用于太阳能制氢 218
8.1 氢能经济 219
8.2 产氢 219
8.3 太阳能转换 219
8.4 光催化分解水制氢 220
8.5 TiO2上负载金属 220
8.6 可见光驱动的光催化剂的发展 220
8.6.1 在钛酸盐纳米管上负载Cr3＋ 220
8.6.2 半导体复合材料 221
复习题 222