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简介
作者结合自己多年的教学和科研积累，同时注意学习、借鉴国内以及欧
美、日本等西方国家的先进经验（书中大部分写作系在国外完成），编写了
此教科书。书中将介绍一些与纳米材料有关的化学、物理和生物学等方面的
知识，故统称为纳米材料学。本教科书具有以下三个特点：
（1）知识介绍的系统性——书中内容基本覆盖了纳米材料研究中所关
注的主要领域，最后还有纳米材料科技论文英文撰写方面的知识介绍；
（2）知识介绍的梯度性——既有较多基础性的知识介绍，也有部分科
研新进展、新概念等提高性的内容；
（3）知识介绍的趣味性——注重形象化比喻，并时常引入人文科学、
美学等方面的知识，各章均附有一些相关插图。
本书可作纳米材料和其他相关课程的教科书或教学参考书，适合硕士、
博士研究生和高年级本科生的学习（每章均有习题和思考题，并附有部分答
案）。
目录
绪论纳米科技及发展简史1
0.1 纳米科技与纳米材料1
0.2 从诺贝尔奖中寻觅纳米科技发展的踪迹2
0.3 从全球性一些重要科技期刊的发展史看纳米材料研究的旺盛活力4
0.4 纳米材料学是一门年轻但具有深厚积淀的学科5
参考文献6
思考题与习题6
第1章 纳米材料的重要特性7
1.1 纳米材料与纳米结构7
1.1.1 关于纳米材料与纳米结构7
1.1.2 纳米材料的微结构及品质评价8
1.2 重要特性10
1.2.1 表面与界面效应10
1.2.2 小尺寸效应12
1.2.3 量子尺寸效应12
1.2.4 宏观量子隧道效应14
1.2.5 纳米材料的可见光谱学14
参考文献17
思考题与习题18
第2章 纳米材料的制备19
2.1 关于纳米材料的制备19
2.2 物理方法制备纳米材料19
2.2.1 应用特殊的加热手段20
2.2.2 气体冷凝法20
2.2.3 等离子体法21
2.2.4 机械研磨22
2.2.5 高温高压法23
2.2.6 原子能辐照23
2.3 化学方法制备纳米材料24
2.3.1 化学方法制备纳米材料的基本思想24
2.3.2 化学沉积法27
2.3.3 水热及溶剂热法29
2.3.4 微乳液法30
2.3.5 溶胶材胶法31
2.3.6 气惨邯补(VLS)法32
2.3.7 纯粹固相化学反应法33
2.3.8 其他的一些物理化学手段34
2.4 一些纳米材料制备的研究进展35
2.4.1 模板合成法35
2.4.2 CVD法的延伸与拓展35
2.4.3 溶胶材胶法的发展37
2.4.4 相转移法39
参考文献39
思考题与习题40
第3章 纳米材料结构表征41
3.1 纳米材料结构的XRD表征41
3.1.1 XRD谱图41
3.1.2 谢乐公式42
3.1.3 纳米薄膜的XRD表征44
3.2 纳米材料结构的气体吸附法表征46
3.2.1 比表面积的BET法测定46
3.2.2 孔径分布测定48
3.3 纳米材料结构的显微观察48
3.3.1 纳米材料结构的电子显微观察49
3.3.2 纳米材料结构表征的STM和AFM技术53
3.4 XRD与TEM对纳米材料结构的综合分析57
3.4.1 一次纳米粒子与二次纳米粒子57
3.4.2 粒径分布57
3.4.3 XRD与HRTEM58
3.4.4 XRD与ED58
3.4.5 有序结构纳米材料的表征62
参考文献63
思考题与习题64
第4章 纳米材料晶体学66
4.1 关于ZnO的六方晶型66
4.2 表面缺陷67
4.3 纳米晶体生长的取向性69
4.4 纳米材料晶体学研究若干进展70
4.4.1 纳米晶体表面原子数的计算70
4.4.2 介晶结构72
4.4.3 超晶格74
4.4.4 锐钛矿型纳米TiO2晶体晶面的控制性生长76
4.4.5 纳米催化剂活性因素研究及新进展78
参考文献79
思考题与习题79
第5章 纳米材料磁学81
5.1 有关磁学的一些基本概念81
5.1.1 材料的磁性及居里温度82
5.1.2 磁滞回线及相关概念84
5.1.3 磁能、磁各向异性和磁畴84
5.2 磁性纳米材料85
5.3 纳米材料特殊的磁性质86
5.3.1 各向异性86
5.3.2 磁性长度87
5.3.3 磁畴87
5.3.4 超顺磁性89
5.3.5 交换作用90
5.3.6 居里温度91
参考文献91
思考题与习题91
第6章 纳米材料电子学与光电子学93
6.1 从计算机技术的发展过程谈起93
6.1.1 计算机存储技术93
6.1.2 计算机控制和运算技术96
6.2 纳米材料电子学重要理论基础98
6.2.1 单电子输运理论98
6.2.2 弹道输运理论99
6.2.3 压电效应99
6.3 纳米材料电子学研究进展简介99
6.3.1 纳米尺度集成电路发展的障碍及解决对策99
6.3.2 纳米发电机100
6.4 纳米材料光电子学简介101
6.4.1 能隙101
6.4.2 发光纳米半导体材料102
参考文献104
思考题与习题104
第7章 纳米材料生物学105
7.1 生物领域中的纳米材料和纳米结构105
7.1.1 DNA的纳米结构106
7.1.2 蛋白质的纳米结构106
7.1.3 病毒108
7.1.4 动植物界丰富的纳米结构110
7.2 纳米机器111
7.2.1 天然的纳米机器——DNA111
7.2.2 生物分子马达111
7.3 生物识别技术112
7.3.1 基于纳米金的识别技术113
7.3.2 量子点113
7.4 纳米材料生物学研究进展115
7.4.1 蛋白质结构形态的改变115
7.4.2 核酸作模板制备纳米材料116
参考文献117
思考题与习题117
第8章 自组装与超分子结构118
8.1 超分子化学118
8.2 自组装的概念119
8.3 一些重要的超分子结构122
8.3.1 单分子薄膜122
8.3.2 金属有机化合物和配合物123
8.3.3 有机物128
8.3.4 其他133
参考文献135
思考题与习题135
第9章 重要的纳米材料137
9.1 单质138
9.1.1 碳纳米材料138
9.1.2 金属143
9.2 二元无机非金属化合物144
9.2.1 氧化物144
9.2.2 硫化物147
9.2.3 其他148
9.3 二元金属纳米材料150
9.4其他无机化合物150
9.4.1 硅酸盐纳米材料150
9.4.2 钙钛矿型晶体151
9.4.3 尖晶石型晶体152
9.4.4 烧绿石型晶体153
9.5 有机物155
参考文献156
思考题与习题156
第10章 纳米材料的应用159
10.1 金属纳米材料159
10.1.1 力学性能159
10.1.2 软磁性能159
10.1.3 催化性能160
10.1.4 储氢性能160
10.2 磁性液体160
10.2.1 磁性液体及其性能160
10.2.2 磁性液体的应用161
10.3 纳米复合材料161
10.3.1 在医学、生物领域中的应用161
10.3.2 纳米催化剂165
10.3.3 高分子/纳米复合材料166
10.4 纳米器件与装置168
10.4.1 新型太阳能电池168
10.4.2 光催化169
10.4.3 传感器171
参考文献172
思考题与习题172
第11章 纳米材料研究英文论文的写作及范例50句173
11.1 标题174
11.2 摘要174
11.3 前言176
11.4 实验部分178
11.5 结果和讨论179
11.6 结论181
11.7 其他部分182
参考文献183
思考题与习题184
部分思考题与习题参考答案186
0.1 纳米科技与纳米材料1
0.2 从诺贝尔奖中寻觅纳米科技发展的踪迹2
0.3 从全球性一些重要科技期刊的发展史看纳米材料研究的旺盛活力4
0.4 纳米材料学是一门年轻但具有深厚积淀的学科5
参考文献6
思考题与习题6
第1章 纳米材料的重要特性7
1.1 纳米材料与纳米结构7
1.1.1 关于纳米材料与纳米结构7
1.1.2 纳米材料的微结构及品质评价8
1.2 重要特性10
1.2.1 表面与界面效应10
1.2.2 小尺寸效应12
1.2.3 量子尺寸效应12
1.2.4 宏观量子隧道效应14
1.2.5 纳米材料的可见光谱学14
参考文献17
思考题与习题18
第2章 纳米材料的制备19
2.1 关于纳米材料的制备19
2.2 物理方法制备纳米材料19
2.2.1 应用特殊的加热手段20
2.2.2 气体冷凝法20
2.2.3 等离子体法21
2.2.4 机械研磨22
2.2.5 高温高压法23
2.2.6 原子能辐照23
2.3 化学方法制备纳米材料24
2.3.1 化学方法制备纳米材料的基本思想24
2.3.2 化学沉积法27
2.3.3 水热及溶剂热法29
2.3.4 微乳液法30
2.3.5 溶胶材胶法31
2.3.6 气惨邯补(VLS)法32
2.3.7 纯粹固相化学反应法33
2.3.8 其他的一些物理化学手段34
2.4 一些纳米材料制备的研究进展35
2.4.1 模板合成法35
2.4.2 CVD法的延伸与拓展35
2.4.3 溶胶材胶法的发展37
2.4.4 相转移法39
参考文献39
思考题与习题40
第3章 纳米材料结构表征41
3.1 纳米材料结构的XRD表征41
3.1.1 XRD谱图41
3.1.2 谢乐公式42
3.1.3 纳米薄膜的XRD表征44
3.2 纳米材料结构的气体吸附法表征46
3.2.1 比表面积的BET法测定46
3.2.2 孔径分布测定48
3.3 纳米材料结构的显微观察48
3.3.1 纳米材料结构的电子显微观察49
3.3.2 纳米材料结构表征的STM和AFM技术53
3.4 XRD与TEM对纳米材料结构的综合分析57
3.4.1 一次纳米粒子与二次纳米粒子57
3.4.2 粒径分布57
3.4.3 XRD与HRTEM58
3.4.4 XRD与ED58
3.4.5 有序结构纳米材料的表征62
参考文献63
思考题与习题64
第4章 纳米材料晶体学66
4.1 关于ZnO的六方晶型66
4.2 表面缺陷67
4.3 纳米晶体生长的取向性69
4.4 纳米材料晶体学研究若干进展70
4.4.1 纳米晶体表面原子数的计算70
4.4.2 介晶结构72
4.4.3 超晶格74
4.4.4 锐钛矿型纳米TiO2晶体晶面的控制性生长76
4.4.5 纳米催化剂活性因素研究及新进展78
参考文献79
思考题与习题79
第5章 纳米材料磁学81
5.1 有关磁学的一些基本概念81
5.1.1 材料的磁性及居里温度82
5.1.2 磁滞回线及相关概念84
5.1.3 磁能、磁各向异性和磁畴84
5.2 磁性纳米材料85
5.3 纳米材料特殊的磁性质86
5.3.1 各向异性86
5.3.2 磁性长度87
5.3.3 磁畴87
5.3.4 超顺磁性89
5.3.5 交换作用90
5.3.6 居里温度91
参考文献91
思考题与习题91
第6章 纳米材料电子学与光电子学93
6.1 从计算机技术的发展过程谈起93
6.1.1 计算机存储技术93
6.1.2 计算机控制和运算技术96
6.2 纳米材料电子学重要理论基础98
6.2.1 单电子输运理论98
6.2.2 弹道输运理论99
6.2.3 压电效应99
6.3 纳米材料电子学研究进展简介99
6.3.1 纳米尺度集成电路发展的障碍及解决对策99
6.3.2 纳米发电机100
6.4 纳米材料光电子学简介101
6.4.1 能隙101
6.4.2 发光纳米半导体材料102
参考文献104
思考题与习题104
第7章 纳米材料生物学105
7.1 生物领域中的纳米材料和纳米结构105
7.1.1 DNA的纳米结构106
7.1.2 蛋白质的纳米结构106
7.1.3 病毒108
7.1.4 动植物界丰富的纳米结构110
7.2 纳米机器111
7.2.1 天然的纳米机器——DNA111
7.2.2 生物分子马达111
7.3 生物识别技术112
7.3.1 基于纳米金的识别技术113
7.3.2 量子点113
7.4 纳米材料生物学研究进展115
7.4.1 蛋白质结构形态的改变115
7.4.2 核酸作模板制备纳米材料116
参考文献117
思考题与习题117
第8章 自组装与超分子结构118
8.1 超分子化学118
8.2 自组装的概念119
8.3 一些重要的超分子结构122
8.3.1 单分子薄膜122
8.3.2 金属有机化合物和配合物123
8.3.3 有机物128
8.3.4 其他133
参考文献135
思考题与习题135
第9章 重要的纳米材料137
9.1 单质138
9.1.1 碳纳米材料138
9.1.2 金属143
9.2 二元无机非金属化合物144
9.2.1 氧化物144
9.2.2 硫化物147
9.2.3 其他148
9.3 二元金属纳米材料150
9.4其他无机化合物150
9.4.1 硅酸盐纳米材料150
9.4.2 钙钛矿型晶体151
9.4.3 尖晶石型晶体152
9.4.4 烧绿石型晶体153
9.5 有机物155
参考文献156
思考题与习题156
第10章 纳米材料的应用159
10.1 金属纳米材料159
10.1.1 力学性能159
10.1.2 软磁性能159
10.1.3 催化性能160
10.1.4 储氢性能160
10.2 磁性液体160
10.2.1 磁性液体及其性能160
10.2.2 磁性液体的应用161
10.3 纳米复合材料161
10.3.1 在医学、生物领域中的应用161
10.3.2 纳米催化剂165
10.3.3 高分子/纳米复合材料166
10.4 纳米器件与装置168
10.4.1 新型太阳能电池168
10.4.2 光催化169
10.4.3 传感器171
参考文献172
思考题与习题172
第11章 纳米材料研究英文论文的写作及范例50句173
11.1 标题174
11.2 摘要174
11.3 前言176
11.4 实验部分178
11.5 结果和讨论179
11.6 结论181
11.7 其他部分182
参考文献183
思考题与习题184
部分思考题与习题参考答案186
纳米材料学简明教程
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