新型奈米材料與裝置

《新型奈米材料與裝置》緊密結合當前行業發展和新領域的前沿技術，在介紹奈米材料基本概念和特徵的基礎上，重點介紹了奈米資訊材料、奈米能源材料、奈米生物材料及奈米裝置在各領域的應用技術，此外，還詳細說明了奈米加工技術與奈米裝置製備、光電奈米裝置、生物奈米裝置、能源奈米裝置，以及奈米裝置在智慧生活、清潔生活、健康生活中的各種應用。既貼近生活，又反映了奈米高科技領域的技術前沿，幫助讀者全面了解奈米材料與裝置的各項應用技術。

全書特點：1、內容突出「新」：介紹當今新材料領域的高新技術專題； 2、強調「先進性」， 兼顧「應用性」：介紹奈米材料領域的新技術、新理論和新方法，不僅經實踐證明是成熟的、可靠的，而且是有應用前景的實用新技術。以期傳播先進技術和知識，推動新材料產業的全面發展。

由於奈米材料展現了異常的力學、電學、磁學、光學特性、敏感特性和催化以及光活性，在國民經濟和高新科技等各個領域都有著廣泛的應用。同時，奈米技術和裝置在精細陶瓷、微電子學、生物工程、化工、醫學等領域的成功應用及其廣闊的應用前景，使得奈米材料及其技術成為目前科學研究的熱點之一，被認為是21世紀的又一次產業革命。本書由作者團隊結合多年的研發成果和國內外研究進展編撰而成。

全書可供奈米材料、新材料領域的研發人員、技術人員閱讀，也可供相關專業的院校師生參考。

王榮明，航空材料研究院博士，數理學院院長，博士生指導教授。長期從事航空航太材料、奈米材料等先進材料的微結構與性能的相互關係研究，近年來主要從事磁性奈米材料的可控合成、微結構和特性研究。

潘曹峰，材料科學與工程博士，研究員，博士生指導教授。於美國喬治亞理工學院的材料科學與工程學院進行博士後研究。主要研究方向為奈米能源、複合奈米能源、奈米燃料電池及奈米生物燃料電池以及自驅動奈米系統。

耿東生，物理系主任，博士生指導教授。曾任德國德勒斯登馬克斯普朗克複雜系統物理研究所客座科學家、德國漢堡大學雷射物理研究所研究員、紐西蘭梅西大學榮譽訪問研究員。從事凝聚物質中的各種新奇量子現象的理論研究。

第1章 奈米材料與奈米技術概述
1.1 奈米材料與奈米技術
1.1.1 奈米材料的定義
1.1.2 奈米材料的發展史
1.1.3 奈米技術的定義
1.1.4 奈米技術的發展歷程
1.2 常見的奈米材料、 奈米技術
1.2.1 典型結構奈米材料
1.2.2 不同功能奈米材料
1.2.3 典型奈米技術
1.3 奈米材料的特殊效應
1.3.1 量子尺寸效應
1.3.2 量子尺寸效應
1.3.3 表面效應
1.3.4 宏觀量子隧道效應
本章小結
參考文獻
第2章 奈米材料的合成與表徵
2.1 奈米材料的常見合成方法
2.1.1 「自上而下」 與 「自下而上」
2.1.2 機械加工法
2.1.3 氣相法
2.1.4 液相法
2.1.5 分子束外延法
2.1.6 奈米材料的表面修飾
2.1.7 自組裝法
2.2 奈米材料的常見表徵方法
2.2.1 X射線衍射分析
2.2.2 掃描電子顯微分析
2.2.3 透射電子顯微分析
2.2.4 掃描探針顯微分析
2.2.5 拉曼光譜分析
2.2.6 電子能量損失譜分析
2.2.7 原子力顯微分析
2.2.8 雷射粒度分析
本章小結
參考文獻
第3章 奈米資訊材料
3.1 半導體奈米材料
3.1.1 半導體奈米材料簡介
3.1.2 半導體奈米材料的特性
3.1.3 常見的半導體奈米材料
3.1.4 半導體奈米材料的應用
3.2 奈米光電轉換材料
3.2.1 光電轉換特性
3.2.2 奈米結構與光吸收
3.2.3 奈米結構與電子傳輸
3.2.4 常見的奈米光電轉換材料
3.2.5 奈米光電轉換材料的應用
3.3 奈米資訊儲存材料
3.3.1 高密度電資訊儲存
3.3.2 高密度光資訊儲存
3.3.3 多功能儲存
3.3.4 奈米材料與光電高密度資訊儲存
3.4 有機光電奈米材料
3.4.1 有機光電奈米材料簡介
3.4.2 有機光電奈米材料的優勢
3.4.3 有機光電奈米材料的應用
3.5 新型奈米材料
3.5.1 碳基奈米材料
3.5.2 量子點材料
3.5.3 新型二維奈米材料
本章小結
參考文獻
第4 章 奈米能源材料
4.1 奈米材料在能源領域的應用與優勢
4.2 氫能源奈米材料
4.2.1 活性炭儲氫材料
4.2.2 合金儲氫材料
4.2.3 配位氫化物儲氫材料
4.2.4 有機液體氫化物儲氫材料
4.3 電化學能源奈米材料
4.3.1 鋰離子電池材料
4.3.2 超級電容器材料
4.4 太陽能電池奈米材料
4.4.1 奈米減反射薄膜
4.4.2 奈米矽薄膜太陽能電池材料
本章小結
參考文獻
第5章 奈米能源裝置
5.1 奈米能源裝置概述
5.2 奈米發電機
5.2.1 奈米發電機簡介
5.2.2 壓電奈米發電機
5.2.3 摩擦奈米發電機
5.3 奈米儲能裝置
5.3.1 奈米儲能裝置簡介
5.3.2 奈米材料電池
5.3.3 超級電容器
5.4 奈米能源裝置集成與應用
5.4.1 奈米能源儲存與管理系統
5.4.2 摩擦奈米發電機在自驅動系統中的應用
5.4.3 摩擦奈米發電機與藍色能源
本章小結
參考文獻
第6章 奈米生物醫用材料
6.1 生物醫用材料概述
6.2 生物醫用材料的分類與應用
6.3 奈米生物醫用材料的分類與應用
6.3.1 奈米生物醫用材料的分類
6.3.2 奈米生物醫用材料的應用
6.4 奈米生物醫用材料的發展趨勢
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參考文獻
第7章 奈米加工技術與奈米裝置製備
7.1 奈米加工技術197
7.1.1 光刻技術
7.1.2 直寫技術
7.1.3 奈米壓印技術
7.1.4 噴墨列印技術
7.1.5 聚焦離子束加工技術
7.2 奈米裝置製備工藝
7.2.1 磁控濺射
7.2.2 真空蒸鍍
7.2.3 微納刻蝕
7.2.4 脈衝雷射沉積
7.2.5 自組裝奈米材料加工
7.3 奈米材料在裝置製備領域的優勢
7.3.1 摩爾定律與裝置集成
7.3.2 量子效應與新型裝置
7.3.3 表面效應與感測器
7.3.4 奈米裝置生物兼容性
本章小結
參考文獻
第8章 奈米氣敏材料與奈米氣敏感測器
8.1 奈米氣敏感測器的分類
8.2 奈米氣敏材料
8.2.1 金屬氧化物
8.2.2 石墨烯
8.2.3 有機高分子
8.2.4 貴金屬
8.2.5 新型二維材料
8.2.6 奈米氣敏感測器的應用
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參考文獻
第9章 奈米裝置與我們的生活
9.1 智慧生活
9.1.1 奈米裝置與物聯網系統
9.1.2 奈米裝置與機器人
9.2 清潔生活
9.2.1 奈米自清潔材料簡介
9.2.2 自清潔原理
9.2.3 提高自清潔活性
9.2.4 奈米自清潔材料的應用
9.2.5 奈米自清潔材料的製備方法
9.3 健康生活
9.3.1 奈米裝置與精準醫療
9.3.2 奈米裝置與電子皮膚
本章小結
參考文獻

1.1 奈米材料與奈米技術

奈米（nm）是一個長度單位，1nm 等於十億分之一米（10－9m），大約相當於頭發粗細的八萬分之一，1nm 的長度相當於3～5個原子緊密地排列在一起所具有的長度。奈米的確微乎其微，然而奈米構建的世界超乎了人們的想像。奈米技術是1990年代迅速發展起來的新興科技。所謂奈米技術，就是以1～100nm尺度的物質或結構為研究對象，通過一定的微細加工方式，直接操縱原子、分子或原子團、分子團，使其重新排列組合，形成新的具有奈米尺度的物質或結構，研究其特性，並由此製造具有新功能的裝置、機器以及在其他方面應用的科學與技術。其終極目標是人們可以按照自己的意願直接在奈米尺度內操縱單個原子、分子，並製造出具有特定功能的產品。可見，奈米科技的首要任務就是要通過各種手段，如微細加工技術和掃描探針技術等來製備奈米材料或具有奈米尺度的結構；其次，借助許多先進的觀察測量技術與儀器來研究所製備奈米材料或奈米尺度結構的各種特性；最後，根據其特殊的性質來進行有關的應用。所以，從一定程度上講，奈米材料、奈米加工製造技術以及奈米測量表徵技術構成奈米技術發展的三個非常重要的支援技術。

奈米技術的核心思想是製備奈米尺度的材料或結構，發掘其不同凡響的特性並對此予以研究，以便最終能很好地為人類所應用。奈米技術已經被公認為繼電子、生物技術、數位資訊之後革命性的技術領域。當前奈米技術的研究和應用已經擴展到材料、微電子、計算機技術、醫療、航空航太、能源、生物技術和農業等各領域。許多國家把奈米科技作為前瞻性、策略性、基礎性、應用性重點研究領域，投入大量的人力、物力和財力。據統計，2001－2008年間，奈米技術相關的發現、專利、產業工人、研發項目、產品市值均以每年25％的速度增加；到2020年，奈米技術相關的產品市值達到3萬億美元。

1.1.1 奈米材料的定義

奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構成的材料。奈米材料也可以定義為具有奈米結構的材料。

其中奈米材料可由晶體、準晶、非晶組成。奈米材料的基本單元或組成單元可由原子團簇、奈米微粒、奈米線、奈米管或奈米膜組成，它既可以是金屬材料，亦可以是無機非金屬材料和高分子材料等。

奈米結構是一種顯微組織結構，其尺寸介於原子、分子與小於100nm 的顯微組織結構之間。具有奈米結構的材料也屬於奈米材料。應用奈米結構，可將它們組裝成各種包覆層和分散層、高比表面積材料、固體材料以及功能奈米裝置，奈米材料通常可按維度、材質以及功能進行分類。奈米材料按照維度可分為零維奈米材料、一維奈米材料、二維奈米材料和三維奈米材料。零維奈米材料是指三個維度都處於奈米尺度，一般來說，原子團簇、奈米微粒、量子點等屬於零維奈米材料。一維奈米材料是指有兩個維度處於奈米尺度，如奈米線、奈米管、奈米纖維等。二維奈米材料是指有一個維度處於奈米尺度，如石墨烯、二硫化鉬以及奈米薄膜等。三維奈米材料一般是指奈米結構材料，如奈米介孔材料等。奈米材料按材質可分為奈米金屬材料、奈米非金屬材料、奈米高分子材料和奈米複合材料，其中奈米非金屬材料又可以分為奈米陶瓷材料、奈米氧化物材料和其他奈米非金屬材料。奈米材料按功能可分為奈米生物材料、奈米磁性材料、奈米催化材料、奈米熱敏材料等。

1.1.2 奈米材料的發展史

人類製備和應用奈米材料的歷史可以追溯至1000多年以前。例如，中國古代人們收集蠟燭燃燒的煙塵來用於製墨和製造燃料，這其實是奈米炭黑。此外，中國古銅鏡表面存在一層薄薄的防鏽層，經過現代技術的檢測發現這種防鏽層是由奈米氧化錫構成的薄膜。

科學家對奈米技術的理論研究始於1860年代，ThomasGraham 使用明膠溶解擴散後製備了膠體，膠體的直徑處於奈米尺度。但當時人們並沒有奈米材料的意識。1905年，愛因斯坦由糖在水中擴散的實驗數據計算出一個糖分子的直徑約為1nm，人類第一次對於奈米尺度有了認識。1960～1970年代，人們對奈米材料的理論有了一定的進展。1962年日本物理學家Kubo （久保）及其合作者對金屬超細微粒進行了研究，提出了著名的「久保理論」。由於超細粒子中原子個數的減少，費米面附近電子的能級既不同於大塊金屬的準連續能級，也不同於孤立原子的分立能級，變為不連續的離散能級而在能級之間出現間隙。當該能隙大於熱起伏能kT（k 為玻爾茲曼常數，T 為熱力學溫度）時，金屬的超細微粒將出現量子效應，從而顯示出與塊體金屬顯著不同的性能，這種效應稱為久保效應。Halperin對久保理論進行了較全面的歸納，並用量子效應成功地解釋了超細粒子的某些特性。1969年Esaki（江崎）和Tsu（朱肇祥）提出了超晶格的概念。所謂超晶格，是指兩種或兩種以上極薄的薄膜交替疊合在一起形成的多週期的結構。1972 年，張立剛等利用分子束外延技術生長出100 多個週期的AlGaAs/GaAs的超晶格材料，並在外加電場超過2V 時觀察到與理論計算基本一致的負阻效應，從而證實了理論上的預言。超晶格材料的出現，使人們可以像Feynman設想的那樣在原子尺度上設計和製備材料。超晶格材料及其物理效應已成為當今凝聚態物理和奈米材料最主要的研究尖端領域之一。

1980～1990年代是奈米技術迅速發展的時代。1984年，德國Gleiter教授等首先採用惰性氣體凝聚法製備了具有清潔表面的奈米粒子，然後在真空中原位加壓製備了Pd、Cu、Fe等金屬奈米塊體材料。1987年，美國Siegel等用同樣方法製備了奈米陶瓷TiO2多晶材料。這些研究成果促進了世界範圍內三維奈米材料的製備和研究熱潮。1980年以後，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的出現和應用，為奈米材料的發展提供了強有力的工具，使人們能觀察、移動和重新排列原子。1990年7月在美國巴爾的摩召開了世界上第一屆奈米科技學術會議，該會議正式提出了奈米材料學、奈米生物學、奈米電子學、奈米機械學等概念，並決定正式出版《奈米結構材料》、《奈米生物材料》和《奈米技術》等學術刊物。

這是奈米材料和奈米科技發展的又一個重要里程碑，從此奈米材料和奈米科技正式登上科學技術的舞臺，形成了全球性的「奈米熱」。從1990年代至今，奈米材料已經有了長足的發展和應用。人們先後發現和製備了各種奈米材料，如奈米碳管、奈米纖維、奈米薄膜等。奈米材料展現了異常的力學特性、電學特性、磁學特性、光學特性、敏感特性以及催化性和光活性，為新材料的發展開闢了一個嶄新的研究和應用領域。奈米材料向國民經濟和高技術各個領域的滲透以及對人類社會進步的影響是難以猜想的。然而，奈米材料畢竟是一種新興材料，要使奈米材料得到廣泛應用，還必須進行深入的理論研究和攻克相應的技術難關。這就要求人們採用新的和改進的方法來控制奈米材料的組成單元及其尺寸，以新的和改善的奈米尺度評價材料的方法，以及從新的角度更深入地理解奈米結構與性能之間的關係。美國公佈的國家奈米計劃指出:當前奈米科技研發焦點已由2000－2010年（Nano1）的基礎發現轉向2010－2020年（Nano2）的應用驅動的基礎和系統研究。因此目前奈米材料的發展主要集中在三個方面:一是探索和發現奈米材料的新現象、新性質；二是根據需要設計奈米材料，研究新的合成和製備方法以及可行的工業化生產技術；三是深入研究有關奈米材料的基本理論。