纳米材料学基础 -中南大学出版社

纳米材料学基础

【作者】：陈翌庆,石瑛
【出版时间】：2009-01
【字数】：313（千字）
【定价】：￥28.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-81105-705-8
【页码】：203（页）
【开本】：16开

本书为教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材,根据教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会制定的本课程“教学基本要求”编写。本书除绪论外,共分6章,第1章为纳米材料的物理学基础,第2章为纳米材料的基本效应,第3章为零维纳米材料,第4章为一维纳米材料,第5章为有序纳米结构及其应用,第6章为纳米固体及其制备。

本书特色在于对当今迅猛发展的纳米材料科学技术的知识点进行了认真的梳理和凝练,从教材的编写特点和要求出发,以“维度”作为教学线索,力图使学生通过学习掌握纳米材料奇异性能的本质和基本原理,掌握纳米材料合成、制备方法的内在规律和一些共性原理。使学生不但要知其然,还要知其所以然,以达到“授人以渔”的目的。

本书条理清晰,深入浅出,便于教学,可作为高校高年级本科生和研究生的教材,也可供相关专业师生、科技人员、工程技术人员参考。

绪论………………………………………………………………………………………… (1)
0.1 纳米科技的内涵和发展…………………………………………………………… (1)
0.2 纳米材料的概念…………………………………………………………………… (3)
0.3 纳米材料的研究对象和研究内容………………………………………………… (4)
0.3.1 纳米“基本单元” ……………………………………………………………… (4)
0.3.2 纳米结构和纳米块体…………………………………………………………… (4)
第1章纳米材料的物理学基础……………………………………………………… (7)
1.1 周期纳米结构的物理学…………………………………………………………… (7)
1.1.1 理想周期结构的能带…………………………………………………………… (7)
1.1.2 能带中电子的准经典运动和有效质量………………………………………… (13)
1.1.3 有效质量方程………………………………………………………………… (17)
1.1.4 量子束缚与能态密度………………………………………………………… (20)
1.2 零维纳米颗粒的基本物理效应………………………………………………… (23)
1.2.1 量子尺寸效应和久保理论…………………………………………………… (23)
1.2.2 久保理论的修正与完善……………………………………………………… (29)
思考题…………………………………………………………………………………… (35)
第2章纳米材料的基本效应………………………………………………………… (36)
2.1 量子尺寸效应…………………………………………………………………… (36)
2.2 小尺寸效应……………………………………………………………………… (37)
2.3 表面效应………………………………………………………………………… (39)
2.4 库仑堵塞效应…………………………………………………………………… (39)
2.5 量子隧穿效应…………………………………………………………………… (40)
思考题…………………………………………………………………………………… (42)
第3章零维纳米材料………………………………………………………………… (43)
3.1 零维纳米材料的制备技术……………………………………………………… (44)
3.1.1 气相法制备…………………………………………………………………… (44)
3.1.2 液相法制备…………………………………………………………………… (48)
3.1.3 固相法制备…………………………………………………………………… (52)
3.2 零维纳米材料的物理化学性质………………………………………………… (57)
3.2.1 热学性质…………………………………………………………………… (57)
3.2.2 光学性质…………………………………………………………………… (59)
3.2.3 磁学性质…………………………………………………………………… (61)
3.2.4 化学性质…………………………………………………………………… (64)
思考题…………………………………………………………………………………… (69)
第4章一维纳米材料………………………………………………………………… (70)
4.1 一维纳米材料的合成制备……………………………………………………… (70)
4.1.1 气相法制备…………………………………………………………………… (70)
4.1.2 液相法制备…………………………………………………………………… (83)
4.1.3 模板法制备…………………………………………………………………… (86)
4.2 一维半导体纳米线的物性……………………………………………………… (98)
4.2.1 单根纳米线的电学传输……………………………………………………… (99)
4.2.2 单根纳米线的光学性质……………………………………………………… (101)
4.3 碳纳米管………………………………………………………………………… (103)
4.3.1 碳纳米管的结构…………………………………………………………… (104)
4.3.2 碳纳米管的制备…………………………………………………………… (106)
4.3.3 碳纳米管的性质…………………………………………………………… (108)
4.3.4 碳纳米管的应用…………………………………………………………… (110)
思考题………………………………………………………………………………… (111)
第5章有序纳米结构及其应用…………………………………………………… (112)
5.1 纳米刻蚀技术…………………………………………………………………… (113)
5.1.1 极紫外光刻(EUVL)和X射线光刻(XRL) …………………………………… (113)
5.1.2 电子束刻蚀(EBL)和离子束刻蚀(IBL) ……………………………………… (118)
5.1.3 纳米压印技术(NIL)………………………………………………………… (120)
5.1.4 其他几种纳米刻蚀技术……………………………………………………… (123)
5.2 自组装技术……………………………………………………………………… (126)
5.2.1 微观粒子间的相互作用能…………………………………………………… (127)
5.2.2 表面活性剂分子的自组装…………………………………………………… (130)
5.2.3 微乳液法自组装…………………………………………………………… (132)
5.2.4 利用范德瓦尔斯力自组装…………………………………………………… (135)
5.2.5 利用静电力自组装………………………………………………………… (136)
5.2.6 模板法自组装……………………………………………………………… (137)
5.2.7 气相催化自组装…………………………………………………………… (139)
5.2.8 利用表面张力和毛细管力自组装…………………………………………… (140)
5.2.9 取向搭接自组装…………………………………………………………… (144)
5.3 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米结构……………………………… (146)
5.3.1 模板诱导自组装…………………………………………………………… (146)
5.3.2 刻蚀辅助的LB膜自组装…………………………………………………… (147)
5.3.3 刻蚀催化图形自组装………………………………………………………… (149)
5.4 有序纳米结构的应用…………………………………………………………… (152)
5.4.1 电子器件研究领域的应用…………………………………………………… (152)
5.4.2 光学器件研究领域的应用…………………………………………………… (158)
5.4.3 磁学器件研究领域的应用…………………………………………………… (162)
5.4.4 环境检测研究领域的应用…………………………………………………… (164)
5.4.5 高效能量转化研究领域的应用……………………………………………… (165)
5.4.6 催化研究领域的应用………………………………………………………… (167)
5.4.7 医学研究领域的应用………………………………………………………… (168)
思考题………………………………………………………………………………… (170)
第6章纳米固体及其制备…………………………………………………………… (171)
6.1 纳米金属与合金材料的制备…………………………………………………… (172)
6.2 纳米相陶瓷的制备……………………………………………………………… (177)
6.3 纳米固体材料的性能…………………………………………………………… (182)
6.3.1 力学性能…………………………………………………………………… (182)
6.3.2 热学性能…………………………………………………………………… (184)
6.3.3 光学性能…………………………………………………………………… (186)
6.3.4 电学性能…………………………………………………………………… (187)
6.3.5 磁学性能…………………………………………………………………… (189)
思考题………………………………………………………………………………… (196)
参考文献…………………………………………………………………………………… (197)

纳米材料核心的内容是“材料奇异的性能和材料尺度、维度相关联”,因此我们要让学生通过学习,弄清为什么纳米材料的性能和尺寸、维度密切相关,尺寸和维度如何影响着纳米材料的电子结构、表面性质等等,进而影响纳米材料的物理、化学等性能。基于这一思路,我们先编写有关纳米材料的物理学基础,使学生理解量子尺寸效应等基本效应,从而能够正确分析和理解纳米材料特异性能的物理本质。纳米材料往往通过制备成功能纳米器件或工程纳米块体材料实现其应用,但无论是功能纳米器件中的纳米结构(图案)体系还是纳米块体材料,一般都是由纳米“基本单元”构筑的,因此,本教材以维度为线索,依次讲解零维和一维纳米材料的制备(合成)、电子结构和物理、化学特性。在此基础上,再讲授纳米块体材料和应用于纳米器件中的有序纳米结构。另外,编者还注意到不同维度纳米材料除了电子结构不同,其合成(生长)机理往往也不相同。不同维度纳米材料的生长自身有一定的规律性可循,因此制备过程不应该是一些事例的简单堆砌,而是应该找出各种制备方法中的内在规律和一些共性原理。这样,同学们就不会死记硬背一些具体制备(合成)事例,而是通过运用基本原理“举一反三”地开展一些新方法的研究和探索,这就是我们想要达到的“授人以渔”的目的。

本教材绪论和第4章4.1~4.2节由合肥工业大学陈翌庆教授编写,第1章由合肥工业大学周如龙博士编写,第2、3、6章以及第4章4.3节由武汉大学石瑛教授编写,第5章由合肥工业大学贾冲副教授编写。全书由陈翌庆教授负责制定编写大纲,筹划协调和修订稿件,中国科学技术大学俞书宏教授主审。

在编写过程中得到合肥工业大学、武汉大学和中南大学等有关领导和教师的大力支持,中南大学出版社的领导和周兴武主任为本书的出版做了大量细致的工作。合肥工业大学张新华、周庆涛博士为本书的图表做了大量绘制工作,在此一并向他们表示衷心感谢!由于编者水平、能力有限,书中难免有错漏和达不到要求之处,诚恳希望读者批评指正。

编者
2008年12月

材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质基础与先导,材料技术已成为现代工业、国防和高技术发展的共性基础技术,是当前最重要、发展最快的科学技术领域之一。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成和发展,同时又将带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代。

“十五”期间,我国材料领域在光电子材料、特种功能材料和高性能结构材料等方面取得了较大的突破,在一些重点方向迈入了国际先进行列。依据国家“十一五”规划,材料领域将立足国家重大需求,自主创新、提高核心竞争力、增强材料领域持续创新能力将成为战略重心。纳米材料与器件、信息功能材料与器件、高新能源转换与储能材料、生物医用与仿生材料、环境友好材料、重大工程及装备用关键材料、基础材料高性能化与绿色制备技术、材料设计与先进制备技术将成为材料领域研究与发展的主导方向。不难看出,这些主导方向体现了材料学科一个重要发展趋势,即材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。材料领域科学技术的快速进步,对担负材料科学与工程高等教育和科学研究双重任务的高等学校提出了严峻的挑战,为迎接这一挑战,高等学校不但要担负起材料科学与工程前沿领域的科学研究、知识创新任务,而且要担负起培养能适应材料科学与工程领域高速发展需求的、具有新知识结构的创新型高素质人才的重任。

为适应材料领域高等教育的新形势,2006—2010年教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会积极组织了材料类高等学校教材的建设规划工作,成立了规划教材编审委员会,编审委员会由相关学科的分教学指导委员会主任委员、委员以及全国30余所有影响力和代表性的高校材料学院院长组成。编审委员会分别于2006年10月和2007年5月在湖南张家界和中南大学召开了教材建设研讨会和教材提纲审定会。经教学指导委员会和编审委员会推荐和遴选,逾百名来自全国几十所高校的具有丰富教学与科研经验的专家、学者参加了这套教材的编写工作。历经几年的努力,这套教材终于与读者见面了,它凝结了全体编写者与组织者的心血,充分体现了广大编写者对教育部“质量工程”精神的深刻体会,对当代材料领域知识结构的牢固掌握和对高等教育规律的熟练把握,是我国材料领域高等教育工作者集体智慧的结晶。

这套教材基本涵盖了金属材料工程专业的主要课程,同时还包含了材料物理专业和材料化学专业部分专业基础课程,以及金属、无机非金属和高分子三大类材料学科的实验课程。整体看来,这套教材具有如下特色:①根据教育部高等学校教学指导委员会相关课程的“教学大纲”及“基本要求”编写;②统一规划,结构严谨,整套教材具有完整性、系统性,基础课与专业课之间的内容有机衔接;③注重基础,强调实践,体现了科学性、实用性;④编委会及作者由材料领域的院士、知名教授及专家组成,确保了教材的高质量及权威性;⑤注重创新,反映了材料科学领域的新知识、新技术、新工艺、新方法;⑥深入浅出,说理透彻,便于老师教学及学生自学。

教材的生命力在于质量,而提高质量是永恒的主题。希望教材的编审委员会及出版社能做到与时俱进,根据高等教育改革和发展的形势及材料专业技术发展的趋势,不断对教材进行修订、改进、完善,精益求精,使之更好地适应高等教育人才培养的需要,也希望他们能够一如既往地依靠业内专家,与科研、教学、产业第一线人员紧密结合,加强合作,不断开拓,出版更多的精品教材,为高等教育提供优质的教学资源和服务。

衷心希望这套教材能在我国材料高等教育中充分发挥它的作用,也期待着在这套教材的哺育下,新一代材料学子能茁壮成长,脱颖而出。

黄伯云
2008年9月