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第1章 从原子到材料1

1.1 原子结构2

1.2 有限的化学元素与丰富的材料体系10

1.2.1 固体中的化学键10

1.2.2 有限的元素与复杂的物质世界13

1.2.3 固体材料的结构16

参考文献18

第2章 低维结构21

2.1 量子阱23

2.1.1 概念与背景23

2.1.2 量子阱中的能级24

2.1.3 量子阱结构造成的能级分裂24

2.1.4 量子阱结构造成的电子态密度分布及其影响26

2.1.5 基于量子阱和超晶格材料的量子器件29

2.2 量子线32

2.2.1 量子线的电子能带结构32

2.2.2 量子线的性质35

2.2.3 碳纳米管电子器件35

2.3 量子点36

2.3.1 量子点的能级36

2.3.2 量子点的性质37

2.3.3 量子点的应用38

参考文献42

第3章 纳米制备技术45

3.1 光刻47

3.1.1 光学光刻48

3.1.2 电子束光刻50

3.1.3 离子束光刻52

3.1.4 X射线光刻54

3.2 软刻蚀55

3.2.1 微接触印刷术57

3.2.2 复制模塑61

3.2.3 转移微模塑63

3.2.4 毛细微模塑64

3.2.5 溶剂辅助微模塑65

3.3 “蘸水笔”纳米刻蚀术68

3.3.1 阵列化的磁性纳米结构71

3.3.2 各种固态纳米结构的制备72

3.3.3 DPN构造生物分子微纳米阵列结构74

3.4 纳米球刻蚀77

3.4.1 单层周期性微粒阵列78

3.4.2 双层周期性微粒阵列78

3.4.3 纳米环79

3.4.4 用SL PPAs为模板通过共价吸附纳米微粒自组装80

3.4.5 角分辨纳米球刻蚀81

3.5 自组装85

3.5.1 静态自组装86

3.5.2 动态自组装93

参考文献94

第4章 原子或分子操纵113

4.1 STM操纵原子114

4.1.1 横向操纵模式114

4.1.2 纵向操纵模式115

4.1.3 非弹性隧穿诱导操纵模式116

4.1.4 电场诱导操纵模式117

4.2 操纵原子构筑纳米结构118

4.2.1 量子栅栏118

4.2.2 量子海市蜃楼——近藤共振电子结构的蜃影119

4.3 原子操纵与单分子化学122

4.3.1 非弹性隧穿谱122

4.3.2 原子操纵与单个分子的振动谱研究123

4.3.3 诱导单分子化学反应124

4.4 光镊操纵126

参考文献128

第5章 典型纳米材料——碳纳米管和石墨烯131

5.1 碳纳米管的制备134

5.1.1 合成技术134

5.1.2 生长机理135

5.2 碳纳米管的结构、缺陷和性能136

5.2.1 碳纳米管的结构和缺陷136

5.2.2 新奇结构碳纳米管138

5.2.3 碳纳米管的性能140

5.3 碳纳米管的潜在应用144

5.3.1 储能145

5.3.2 碳纳米管分子电子学147

5.3.3 微探针和传感器148

5.3.4 复合材料149

5.3.5 纳米反应器150

5.4 石墨烯151

5.4.1 石墨烯的结构151

5.4.2 石墨烯的制备151

5.4.3 石墨烯的性质与应用152

参考文献157

第6章 纳米结构显微分析159

6.1 前言160

6.2 扫描电子显微镜161

6.2.1 电子与样品的相互作用161

6.2.2 扫描电子显微镜的工作原理及应用163

6.3 透射电子显微镜166

6.3.1 电子衍射分析166

6.3.2 透射电子显微镜的工作模式168

6.3.3 电子衍射图标定170

6.3.4 纳米结构分析172

6.3.5 电子显微分析新进展174

6.4 扫描探针显微镜176

6.4.1 扫描力显微镜的工作原理176

6.4.2 扫描力显微镜的工作和成像模式177

6.4.3 几种常用的扫描力显微镜179

6.4.4 扫描探针显微镜在纳米表征中的应用182

6.5 扫描隧道显微镜184

6.5.1 扫描隧道显微镜的工作原理185

6.5.2 扫描隧道显微镜的应用187

6.6 扫描近场光学显微镜194

6.6.1 传统光学显微镜的工作原理194

6.6.2 扫描近场光学显微镜的工作原理195

参考文献199

第7章 纳米电子学205

7.1 纳米晶体管206

7.1.1 什么是晶体管206

7.1.2 碳纳米管晶体管206

7.1.3 单电子晶体管209

7.2 纳米存储器212

7.3 纳米电路214

7.3.1 传统大规模集成电路214

7.3.2 纳米电路216

7.4 基于纳米科技的量子计算机221

参考文献224

第8章 纳米生物技术227

8.1 纳米技术与生物大分子228

8.1.1 DNA229

8.1.2 蛋白质234

8.2 纳米颗粒材料与细胞236

8.2.1 金属纳米颗粒材料236

8.2.2 非金属纳米颗粒材料237

8.3 纳米医学造影材料238

8.3.1 造影剂在磁共振成像中的应用239

8.3.2 医学造影剂在光声成像中的应用241

8.4 癌症的早期诊断与治疗243

8.4.1 肿瘤病理学与纳米粒子治疗的生物学基础243

8.4.2 纳米技术在癌症诊断方面的应用研究245

8.4.3 纳米技术在癌症治疗方面的应用研究247

参考文献254

第9章 前景展望257

9.1 原子和分子258

9.2 创新点258

9.3 纳米科学260

9.4 纳米技术260

9.5 什么是可能的261

9.6 原子力显微镜对纳米技术的贡献261

9.7 纳米科技的未来十年262

附表264

全书思考题266