纳米材料基础（双语版）第二版

作者：张耀君 编著

出版时间：2015年

内容简介

　　《纳米材料基础（双语版 第二版）》为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。为使学生更好地掌握纳米材料的基本概念及基础知识，增强学生跨文化进行专业交流的能力，亦为学生以后阅读专业文献、撰写科研论文做铺垫，本书以中英双语的形式呈现；每章均以英文部分开篇，随后附有专业词汇的音标及释义，然后是对英文部分的中文翻译，以方便学生理解。全书共分为八章，第1章主要介绍了纳米材料的基本概念及分类，纳米科技的研究进展及最新成果。第2章为纳米效应的相关概念。第3章是关于纳米材料的力学、热学、磁学及光学性能。第4章重点介绍了“自上而下”和“自下而上”纳米材料的制备方法以及纳米材料的自组装。第5章对纳米材料的表征及纳米制造的常用仪器——扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理及操作模式进行了简述。第6章是碳纳米材料的合成。第7章为纳米制造的光刻技术。第8章主要论述纳米技术用于太阳能制氢的新能源研究。本书可作为高等院校材料类、化学类、化工类、环境类、能源类、电子类等专业的本科生和研究生教材，亦可供相关专业工程技术人员、科研人员参考。

目录

1.IntroductiontoNanoscaleMaterials1

1.1Introductiontothenanoworld1

1.2Definitionofnanoscalematerials1

1.2.1Nanometer1

1.2.2Definitionofnanoscalematerials2

1.3Classificationofnanoscalematerials3

1.3.1Accordingtothespatialdimensionofmaterials3

1.3.2Accordingtothequantumpropertiesofmaterials4

1.3.3Accordingtomaterialproperties12

1.3.4Accordingtotheshapeandchemicalcomposition12

1.4Nanoscalescienceandtechnology17

1.5Drivenbyindustrialrevolution17

1.6Fundamentallimitationsofpresenttechnologies18

1.7Molecularelectronics18

1.8Technicalchallengesinfuture18

1.9Applicationsofnanomaterials20

1.9.1Waterpurification20

1.9.2Nanocatalysts20

1.9.3Nanosensors20

1.9.4Energy21

1.9.5Medicalapplications21

References23

Reviewquestions25

Vocabulary25

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.NanometerEffectsofNanoscaleMaterials44

2.1Smallsizeeffect44

2.2Quantumsizeeffect45

2.2.1Relationshipbetweenenergygapandparticlesize45

2.2.2Application46

2.3Surfaceeffect47

2.4Macroscopicquantumtunneleffect48

2.4.1Ballistictransport48

2.4.2Tunneling48

2.4.3Resonancetunneling49

2.4.4Inelastictunneling50

2.4.5Tunneleffect50

2.4.6Macroscopicquantumtunneleffect50

References51

Reviewquestions51

Vocabulary52

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.PropertiesofNanoscaleMaterials57

3.1Mechanicalproperties57

3.1.1PositiveHall-Petchslopes57

3.1.2NegativeHall-Petchslopes57

3.1.3PositiveandnegativeHall-Petchslopes58

3.2Thermalproperties59

3.3Magneticproperties59

3.4Electronicproperties60

3.5Opticalproperties62

3.5.1Photochemicalandphotophysicalprocessesofnanomaterials62

3.5.2Absorptionandluminescencespectra63

3.5.3Ultraviolet-visibleabsorptionspectroscopy63

References64

Reviewquestions65

Vocabulary65

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.SynthesisofNanoscaleMaterials71

4.1“Top-down”and“bottom-up”approaches71

4.2Solidphasemethod72

4.2.1Mechanicallymilling72

4.2.2Solid-statereaction74

4.3Physicalvapordeposition(PVD)method75

4.3.1ThermalevaporationPVDmethod75

4.3.2Plasma-assistedPVDmethod77

4.3.3Laserablation80

4.4Chemicalvapordeposition(CVD)method80

4.5Liquidphasesynthesismethod82

4.5.1Precipitationmethod82

4.5.2Solvethermalmethod84

4.5.3Freeze-dryingmethod(Cryochemicalsynthesismethod)88

4.5.4Sol-gelmethod90

4.5.5Microemulsionsmethod93

4.5.6Microwave-assistedsynthesis96

4.5.7Ultrasonicwave-assistedsynthesis97

4.6Synthesisofbulkmaterialsbyconsolidationofnanopowders98

4.6.1Coldcompaction98

4.6.2Warmcompaction98

4.7Template-assistedself-assemblynanostructuredmaterials99

4.7.1Principlesofself-assembly99

4.7.2Self-assemblyofMCM-41100

4.8Self-assemblyofnanocrystals101

4.9Synthesisandassemblyofanisotropicnanoparticles102

4.9.1Anisotropicnanoparticleswithfeaturesize102

4.9.2Rod-likeparticles102

4.9.3PreparationofvariousshapedPtnanoparticles104

4.9.4PreparationofvariousshapedRhnanoparticles105

4.10Synthesisofpolymericonedimensionalnanostructures(ODNS)106

4.10.1ElectrospinningsynthesisofpolymerODNS106

4.10.2Membrane/template-basedsynthesisofpolymerODNS109

4.10.3Template-freesynthesisofpolymerODNS110

4.11Greennanosynthesis111

4.11.1Preventwastes111

4.11.2Atomeconomy112

4.11.3Usingsafersolvents112

4.11.4Enhanceenergyefficiency112

References112

Reviewquestions117

Vocabulary118

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

4.7.2MCM-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.ScanningTunnelingMicroscopeandAtomicForceMicroscope144

5.1Scanningtunnelingmicroscope(STM)144

5.1.1BasicprincipleofSTM144

5.1.2Operationmodes145

5.1.3ApplicationofSTM145

5.2Atomicforcemicroscope(AFM)146

5.2.1BasicprincipleofAFM146

5.2.2ModeofoperationofAFM147

5.2.3ApplicationofAFM148

References149

Reviewquestions150

Vocabulary150

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

5.1.1STM的基本原理151

5.1.2操作模式151

5.1.3STM的应用151

5.2原子力显微镜（AFM）152

5.2.1AFM的基本原理152

5.2.2AFM的操作模式152

5.2.3AFM的应用153

复习题153

6.SynthesisofCarbonNanomaterials154

6.1Carbonfamily154

6.1.1Graphiteanddiamond154

6.1.2Allotropeofcarbon154

6.2Fullerenes155

6.2.1SynthesisofC60155

6.2.2Purificationoffullerenes157

6.2.3StructureofC60158

6.2.413Cnuclearmagneticresonancespectroscopy158

6.2.5Endofullerenes159

6.2.6Nucleophilicadditionreactions160

6.2.7PolymerizationofC60160

6.2.8Fabricationofnanocar161

6.3Carbonnanotubes[45]162

6.3.1Synthesisofnanotubes162

6.3.2Growingmechanisms166

6.3.3Geometryofcarbonnanotubes167

6.4Graphene169

6.4.1Propertiesofgraphene169

6.4.2Synthesisofgaphene170

References176

Reviewquestions179

Vocabulary180

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

6.2.1C60的合成183

6.2.2富勒烯的提纯183

6.2.3C60的结构183

6.2.413C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

6.2.7C60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.LithographyforNanofabrication191

7.1Microfabricationbyphotolithographyofultravioletlight191

7.2Nanofabricationbyscanningbeamlithography194

7.2.1Electronbeamlithography194

7.2.2Focusedionbeamlithography194

7.3Nanoimprintlithography195

7.3.1Nanoimprintlithography195

7.3.2Step-and-flashimprintlithography196

7.3.3Microcontactprinting196

7.4Scanningprobelithography197

References199

Reviewquestions200

Vocabulary201

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.NanotechnologyforProductionofHydrogenbySolarEnergy207

8.1Hydrogeneconomy207

8.2Hydrogenproduction208

8.3Conversionofsolarenergy209

8.4Hydrogenproductionbyphotocatalyticwatersplitting210

8.5LoadingmetaloverTiO2210

8.6Developmentofvisible-light-drivenphotocatalysts211

8.6.1LoadingCr3+overtitanatenanotubes211

8.6.2Semiconductorcomposition212

References216

Reviewquestions217

Vocabulary217

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

8.5TiO2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




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