纳米材料与纳米技术（杨维清）

我国高等工程教育为应对全球形势、国内工程教育发展形势和服务国家战略，于2017年首次提出了“新工科”理念。在高等工程教育改革方案中，改造升级传统工科、发展新工科专业和多学科交叉融合的新专业成为“新工科”的主要改革方向。纳米材料与纳米技术知识体系丰富，可为凝聚态物理学、半导体材料与器件、功能材料、复合材料、能源与动力工程、环境科学、生物医学材料等多学科专业提供相关的材料与技术基础。先进纳米材料与纳米技术支撑了电子信息、新能源、航空航天、仪器仪表、生物医药等高新技术中新材料、新产品以及新工艺技术的成功研制；纳米材料与纳米技术近年来的高速发展，推动了新能源材料与器件、智能科学与技术、光电信息科学与工程等新型领域的发展进程。 
在从事教学的过程中，深感需要一本较多反映近年来纳米材料与纳米技术发展的教学用书或参考书，这是笔者编写本书的初衷。 
与国内同类教材相比，本书具有三个方面的特色。 
（1）重视基础、精选内容 
编著者七年来一直从事本科生纳米材料与纳米技术专业课程的教学工作，不断改进和精进该课程的教学内容、教学方法以及教学理念。该教材是在编著者长期从事本科教学和科学研究的基础上总结出来的，具有良好的适用性，教学内容也得到了本科生的普遍认可和好评。 
（2）教研相长、系统深入 
采取“基础—性能—应用”的基本编写思路，首先系统详尽地阐述纳米材料的结构及其基本物理理论。在此基础上，深入分析和总结纳米材料的理化性质，阐述纳米技术调控、纳米材料理化性质的基本思路、方法，并阐明纳米器件的通用性和独特性。最后，结合近年来的研究成果，总结与分析纳米材料与纳米器件在电子、能源、传感领域中的适用性。 
（3）注重新意、与时俱进 
本书专门讨论了纳米材料与纳米技术在能源采集与存储、无线传感技术中的应用，填补了同类图书在此领域的空白，具有独特性；而且，本书系统地介绍了先进纳米加工技术的基础知识和应用领域，这些纳米加工技术在目前的研究和生产中广受关注。 
在编写本书的过程中，黄海超、田果、熊达、徐忠、闫成、谢岩廷和储翔博士研究生为本书的内容选取搜集了大量资料，参与了本书部分章节的编写，并对本书内容的组织提出了许多宝贵意见，在此表示感谢。本书编写的过程中，西南交通大学刘妍副教授、李文和靳龙老师给出了许多建设性意见，在此表示感谢。 
限于编著者水平，本书难免存在疏漏之处，希望得到相关专家和读者的批评指正。 

编著者 
2022年7月 

《纳米材料与纳米技术》从“基础—性能—应用”链条出发，系统地介绍了纳米材料的基本结构、理论基础、物理性质和化学性质，概括了纳米材料的制备方法和先进分析表征手段，分析了纳米加工技术及器件的制备，着重总结了纳米材料和纳米技术在能源采集、存储与无线传感领域和在生物医学领域中的应用。《纳米材料与纳米技术》可用作高等院校材料、能源类专业的教材，同时可作为凝聚态物理学，半导体材料与器件、环境科学、生物医学材料等多学科专业的教学和参考用书。

杨维清，博士，教授，四川省杰出青年基金获得者。2007年硕士毕业于四川大学原子与分子物理专业，主要应用密度泛函理论研究半导体材料的物理特性，毕业后到成都信息工程学院工作。2009年评为讲师，2011年博士毕业于四川大学材料学院凝聚态物理专业，并获得理学博士学位。2011年破格晋升副教授，2011年10月在电子科大电子薄膜与集成器件国家重点实验室做博士后，主要从事白光LED荧光材料的制备以及LED封装技术与理论研究工作。2013年1月2014年2月，到美国佐治亚理工学院王中林院士课题组从事纳米能源材料与微电子集成器件的博士后研究。近年来，在Advanced Materials, Nano Letters, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Energy Materials等国际著*名刊物上发表论文91篇，均为SCI刊源，16篇影响因子大于10，4篇ESI高引论文。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist等近10家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。

第1章纳米材料的结构单元 
1.1纳米材料的定义与分类 1 
1.1.1纳米材料的定义 1 
1.1.2纳米材料的分类 2 
1.1.3纳米材料的新特性 3 
1.2纳米材料的基本结构单元 5 
1.2.1零维单元 5 
1.2.2一维纳米结构 11 
1.2.3二维纳米结构 13 
习题 15 
参考文献 15 

第2章纳米材料的基本理论 
2.1纳米材料的能带理论 17 
2.1.1固体能带理论简介 17 
2.1.2纳米材料的能带理论 20 
2.2表面与界面效应 21 
2.2.1纳米材料的表面原子 22 
2.2.2纳米材料的表面能 23 
2.2.3表面重构与表面态 24 
2.3小尺寸效应 26 
2.3.1小尺寸效应定义 27 
2.3.2小尺寸效应对纳米材料性质的影响 27 
2.4量子尺寸效应 31 
2.4.1量子概念与能级 31 
2.4.2量子尺寸效应对纳米材料性质的影响 32 
2.5宏观量子隧道效应 33 
2.5.1宏观量子隧道效应的定义 33 
2.5.2弹道传输 33 
2.5.3非弹性隧穿 34 
2.6纳米材料的其他效应 35 
2.6.1库仑堵塞效应 35 
2.6.2介电限域效应 35 
2.6.3量子限域效应 36 
习题 36 
参考文献 37 

第3章纳米材料的物理特性 
3.1纳米材料的力学性能 38 
3.1.1纳米材料的弹性 39 
3.1.2纳米材料的强度与硬度 40 
3.1.3纳米材料的塑性 42 
3.1.4纳米材料的超塑性 43 
3.1.5纳米金属材料的强度与塑性 44 
3.2纳米材料的热学性能 46 
3.2.1纳米材料的熔点 46 
3.2.2纳米材料的热导率 47 
3.2.3纳米材料的比热容 48 
3.2.4纳米材料的热膨胀 50 
3.3纳米材料的光学性能 51 
3.3.1纳米材料的光吸收 51 
3.3.2纳米材料的颜色 53 
3.3.3纳米材料的发光 54 
3.3.4纳米材料的磁光效应 57 
3.4纳米材料的电学性能 60 
3.4.1纳米材料的电阻率 61 
3.4.2纳米材料的热电性能 64 
3.4.3纳米材料的超导性能 65 
3.4.4纳米材料的介电性能 66 
3.4.5纳米材料的压电性能 67 
3.5纳米材料的磁学性能 68 
3.5.1纳米磁性材料的磁矩 68 
3.5.2纳米磁性材料的居里温度 69 
3.5.3纳米磁性材料的饱和磁化强度与矫顽力 69 
3.5.4纳米磁性材料的巨磁阻效应 71 
习题 72 
参考文献 72 

第4章纳米材料的化学特性 
4.1纳米材料的自组装 76 
4.1.1自组装特性 77 
4.1.2自组装机理 78 
4.1.3自组装实例 80 
4.2纳米材料的吸附特性 83 
4.2.1非电解质吸附 83 
4.2.2电解质吸附 84 
4.3纳米材料的催化特性 85 
4.3.1纳米金属催化 85 
4.3.2半导体纳米颗粒的光催化 86 
4.3.3纳米金属和半导体粒子的热催化 87 
4.4纳米材料的晶体特性 87 
4.5纳米材料的表面缺陷特性 89 
4.6纳米材料的团聚特性 93 
4.6.1团聚特性简介 93 
4.6.2团聚动力学模型 96 
习题 98 
参考文献 99 

第5章纳米材料的制备 
5.1零维纳米材料的制备 101 
5.1.1零维纳米材料制备概述 101 
5.1.2典型零维纳米材料的制备 102 
5.1.3微孔和介孔纳米材料的制备 108 
5.2一维纳米材料的制备 112 
5.2.1一维纳米材料概述 112 
5.2.2典型一维碳纳米管的制备 112 
5.2.3模板合成 113 
5.3二维纳米薄膜的制备 115 
5.3.1二维纳米薄膜概述 115 
5.3.2二维纳米薄膜生长的原理 116 
5.3.3二维纳米薄膜的制备方法 117 
5.4纳米复合材料的制备 123 
5.4.1纳米复合材料概述 123 
5.4.2核壳结构材料的制备 123 
5.4.3插层纳米复合材料的制备 125 
5.4.4陶瓷基纳米复合材料的制备 125 
5.4.5金属基纳米复合材料的制备 126 
5.4.6聚合物纳米复合材料的制备 127 
习题 129 
参考文献 129 

第6章纳米材料的分析表征 
6.1纳米材料的结构分析 131 
6.1.1纳米材料的有序度分析 131 
6.1.2纳米材料的分子结构解析 136 
6.2纳米材料的粒度分析 140 
6.2.1粒度分析的概念 140 
6.2.2粒度分析的意义 141 
6.2.3粒度分析方法 141 
6.3纳米材料的形貌分析 143 
6.3.1形貌分析的重要性与种类 143 
6.3.2扫描电子显微镜形貌分析 144 
6.3.3透射电子显微镜形貌分析 144 
6.3.4扫描隧道显微镜形貌分析 147 
6.4纳米材料的成分分析 149 
6.4.1成分分析的重要性与种类 149 
6.4.2表面与微区成分分析 149 
6.4.3体相元素成分分析 151 
6.5纳米材料表面电子结构的分析 153 
6.5.1X射线光电子能谱 153 
6.5.2紫外光电子能谱 156 
6.5.3X射线吸收精细结构 157 
习题 161 
参考文献 161 

第7章先进纳米加工技术 
7.1纳米减材制造技术 165 
7.1.1光学曝光技术 165 
7.1.2短波长曝光技术 173 
7.1.3激光加工技术 176 
7.1.4纳米压印技术 179 
7.1.5刻蚀技术 183 
7.1.6聚焦离子束技术 188 
7.2纳米增材制造技术 189 
7.2.1薄膜沉积技术 189 
7.2.2薄膜剥离技术 196 
7.2.3喷墨打印技术 199 
7.2.43D打印技术 200 
习题 201 
参考文献 201 

第8章纳米材料与纳米技术的应用 
8.1纳米材料与纳米技术在能量收集领域的应用 204 
8.1.1纳米发电机概述 205 
8.1.2纳米发电机的理论基础 205 
8.1.3纳米发电机的工作机理 208 
8.1.4纳米材料和纳米技术在纳米发电机中的应用 208 
8.2纳米材料和纳米技术在电化学能源领域的应用 215 
8.2.1纳米材料和纳米技术在锂离子电池中的应用 216 
8.2.2纳米材料和纳米技术在超级电容器中的应用 219 
8.2.3纳米材料和纳米技术在燃料电池中的应用 228 
8.3纳米材料与纳米技术在信息领域的应用 231 
8.3.1纳米信息探测材料 232 
8.3.2纳米信息传输材料 234 
8.3.3纳米信息存储材料 235 
8.4纳米材料和纳米技术在无线传感领域的应用 237 
8.4.1纳米材料与无线传感 237 
8.4.2纳米技术与多功能传感集成系统 240 
8.5纳米材料和纳米技术在生物医学领域的应用 243 
8.5.1纳米生物材料简介 243 
8.5.2纳米材料在生物医学领域的应用 247 
习题 249 
参考文献 250