納米材料物理基礎(chǔ)

前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，納米材料急速發(fā)展，人類因此邁入了納米材料時(shí)代。這種狀況的出現(xiàn)，得力于人類科技發(fā)展至今的深厚淀積和科技知識(shí)總量的巨大增加，當(dāng)然還有其他一些重要原因。在第1章緒論中將對(duì)此作出較詳細(xì)的分析討論。如果從現(xiàn)在起就充分注意納米材料乃至整個(gè)納米科技帶來(lái)的利弊，使之穩(wěn)當(dāng)?shù)刈咴谄湔_的發(fā)展軌道上，那么給人類帶來(lái)的將是無(wú)與倫比的巨大利益，給地球村帶來(lái)的會(huì)是更加璀璨的繁榮。納米材料，尤其是整個(gè)納米科技，包括了許多方面的內(nèi)容。物理基礎(chǔ)是指從物理角度去理解和解釋納米材料的有關(guān)現(xiàn)象和問(wèn)題，給從多方面理解、說(shuō)明，特別是為更深入地研究和更廣泛地應(yīng)用納米材料和納米科技，提供基礎(chǔ)方面的知識(shí)。因此，納米材料物理基礎(chǔ)在其中占據(jù)著重要的位置。作者的研究組從20世紀(jì)80年代中期起就陸陸續(xù)續(xù)地進(jìn)行了一些有關(guān)納米材料的實(shí)驗(yàn)研究，所使用的實(shí)驗(yàn)方法包括化學(xué)還原法、機(jī)械合金法以及均勻沉淀法等，研究的內(nèi)容除了這些納米合金材料的制備和結(jié)構(gòu)外，還對(duì)它們的熱學(xué)和磁學(xué)等性能進(jìn)行過(guò)測(cè)定。在準(zhǔn)備、構(gòu)思和寫(xiě)作本書(shū)的過(guò)程中，認(rèn)定必須遵守下面的兩條原則。首先是盡一切努力使書(shū)能夠反映學(xué)術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和水平，但又不能割斷歷史。要切實(shí)做到這些，必須握有充分的資料，而且必須是原始論文。作者研究組在多年的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中掌握了相當(dāng)一部分資料，但對(duì)于寫(xiě)書(shū)來(lái)說(shuō)，卻覺(jué)得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。多謝Internet，使今天的資訊之獲得變得如此之快速和便當(dāng)。今天，納米材料發(fā)展如此之快速，原始論文數(shù)量之多，特別是比較熱門的領(lǐng)域和課題，是不那么易于全面無(wú)遺漏地掌握的。同一個(gè)問(wèn)題的資料，作者盡量使用最近期的，同時(shí)候的那就按自己的構(gòu)思和想法選取。采用得對(duì)不對(duì)、好不好、準(zhǔn)不準(zhǔn)確、是不是真正較好地反映了納米材料發(fā)展的現(xiàn)狀和水平，只有請(qǐng)讀者去評(píng)論了。其次，就是如何寫(xiě)的問(wèn)題。多少年來(lái)，我總是告誡自己和學(xué)生，寫(xiě)東西，不論是論文還是書(shū)，要設(shè)身處地地為讀者著想，站在他們的角度去構(gòu)思和成文，因?yàn)檎撐暮蜁?shū)不僅是你的研究勞動(dòng)成果，更是為了給讀者看和讀的。不少的書(shū)和論文，不僅讀起來(lái)一目了然，內(nèi)容交代得清清楚楚，還涉及問(wèn)題的來(lái)龍去脈，而且也有作者的看法或評(píng)論，看過(guò)之后確實(shí)能得到啟發(fā)?？煽偸怯心敲礃O少數(shù)的例外，不那么易于揣測(cè)其原意。寫(xiě)本書(shū)的過(guò)程中看了C60的發(fā)現(xiàn)者之一、Nobel獎(jiǎng)得主Smalley教授1997年發(fā)表在“Mod Phys Rev”上他接受Nobel獎(jiǎng)時(shí)的演說(shuō)詞，他特別費(fèi)口舌講了為什么講演的題目采用“發(fā)現(xiàn)中的富勒烯”(Discovering the fullerenes)，而不用“富勒烯的發(fā)現(xiàn)”(The Discovery of the Fullerenes)的原因, 就是因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)未完備，全世界的科學(xué)家還都在努力地研究著，還需要大力發(fā)展。使人一看就見(jiàn)底，多么誠(chéng)實(shí)、胸襟坦白的科學(xué)家，令人肅然起敬。還有一件令作者至今難忘的事是中國(guó)物理學(xué)會(huì)60周年開(kāi)幕式上，我國(guó)物理學(xué)界前輩黃昆教授應(yīng)邀作半導(dǎo)體超晶格的報(bào)告，開(kāi)場(chǎng)沒(méi)幾句話，就把什么是超晶格交代得清清楚楚，明明白白，不熟悉的人立即釋疑，了解超晶格的人也很舒服，并為他一下子就抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)佩服不已。當(dāng)然，這都是些學(xué)問(wèn)大家。本書(shū)在這方面做得何如，達(dá)沒(méi)達(dá)到我自己一貫所堅(jiān)持的，也都得請(qǐng)讀者去評(píng)論。本書(shū)寫(xiě)作意圖是想將現(xiàn)今納米材料的最主要和通常使用的制備原理和方法、納米材料的結(jié)構(gòu)、它的形成機(jī)理、納米材料各種物理性能的現(xiàn)象和物理理論描述，一句話就是納米材料物理基礎(chǔ)的內(nèi)容、再加上必要的來(lái)龍去脈的情況，呈現(xiàn)給讀者。目的是想給讀者在讀完之后對(duì)現(xiàn)今納米材料的主要內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀有一個(gè)較明確的較全面的了解，并希望能夠引發(fā)對(duì)于納米材料的興趣，給立志在納米材料的未來(lái)發(fā)展中做出貢獻(xiàn)的年輕朋友們起到點(diǎn)指引和幫助的作用。如是，作者就很欣慰了。納米材料的應(yīng)用很重要，但超出納米材料物理基礎(chǔ)的內(nèi)容范圍，故沒(méi)有被涉及。納米材料的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)呈現(xiàn)，為了引起各方面的充分注意和重視，雖然只是在緒論中用了很少的篇幅，但卻是非常醒目地強(qiáng)調(diào)了納米材料的雙刃性，目的是提出警示、保護(hù)地球村，使納米材料能夠朝著正確的道路前進(jìn)。作者的夫人給予了生活上的大力幫助，使作者能夠全力以赴地從事寫(xiě)作，沒(méi)有她的貢獻(xiàn)是難以一氣完成的。湖南大學(xué)圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)中心在資料供應(yīng)和Internet保障方面，盡了他們的努力。作者還得到了一些朋友們的鼓勵(lì)和支持。在此一并表示衷心感謝。本書(shū)中所有的圖形，除了一少部分是出自于作者所發(fā)表的論文或作者繪制外，其余引用的都經(jīng)過(guò)原有版權(quán)持有者(學(xué)會(huì)、出版機(jī)構(gòu)、雜志或論文和網(wǎng)上資料作者)-明細(xì)將另表列出-同意，允許使用，作者對(duì)他們表示感謝。

內(nèi)容概要

　　《納米材料物理基礎(chǔ)》可供從事納米材料研究的技術(shù)人員參考，也可供高等院校物理學(xué)、材料物理、材料化學(xué)、材料科學(xué)與工程等專業(yè)的師生參考，同時(shí)也可作為關(guān)心納米技術(shù)發(fā)展的相關(guān)人士的參考書(shū)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，納米材料一直都是科學(xué)研究的熱點(diǎn)?！都{米材料物理基礎(chǔ)》以作者多年的研究成果及國(guó)際上最新的原始論文為依據(jù)，系統(tǒng)地介紹了納米材料物理學(xué)基礎(chǔ)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括納米材料最主要的制備方法、納米材料的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，特別是納米材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等物理學(xué)性能方面的內(nèi)容?！都{米材料物理基礎(chǔ)》沒(méi)有按門類對(duì)各種納米材料進(jìn)行介紹，而是將其共性問(wèn)題抽提出來(lái)進(jìn)行闡述和討論，使讀者從物理學(xué)的角度對(duì)納米材料有更深入的了解。作者對(duì)納米材料物理學(xué)各種理論、技術(shù)進(jìn)展的點(diǎn)評(píng)和分析是《納米材料物理基礎(chǔ)》的亮點(diǎn)，《納米材料物理基礎(chǔ)》還獨(dú)特地強(qiáng)調(diào)了納米材料的雙刃性。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 納米材料時(shí)代1.2 什么是納米材料1.3 納米材料發(fā)展史1.3.1 萌芽發(fā)生階段1.3.2 初步準(zhǔn)備階段1.3.3 迅速發(fā)展階段1.3.4 工業(yè)和商業(yè)實(shí)用化階段1.4 納米材料的重要性1.4.1 世界各主要國(guó)家國(guó)家級(jí)納米科技計(jì)劃1.4.2 世界各主要國(guó)家納米科技投資1.4.3 納米科技重要性原因分析1.5 納米材料可能的問(wèn)題1.6 納米材料物理基礎(chǔ)主要研究?jī)?nèi)容參考文獻(xiàn)第2章 氣相制備納米材料的原理、方法、形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)2.1 氣相淀積物理原理2.1.1 成核2.1.2 長(zhǎng)大2.2 物理氣相淀積2.2.1 電阻加熱法2.2.2 等離子體加熱法2.2.3 激光加熱法2.3 化學(xué)氣相淀積2.3.1 CVD的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)2.3.2 制備納米材料的CVD工藝2.3.3 催化CVD與CNT2.4 過(guò)濾陰極真空電弧淀積2.4.1 磁過(guò)濾與fcva設(shè)備2.4.2 fcva淀積膜的實(shí)例2.5 各類氣相淀積方法的比較參考文獻(xiàn)第3章 液相制備納米材料的原理、方法、形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)3.1 沉淀法3.1.1 共沉淀和分步沉淀3.1.2 均勻沉淀3.2 溶膠凝膠法3.2.1 solgel法的工藝流程3.2.2 solgel反應(yīng)機(jī)理3.2.3 solgel法制備納米材料實(shí)例3.3 化學(xué)還原法3.3.1 化學(xué)還原法制備工藝3.3.2 化學(xué)還原法的反應(yīng)機(jī)理3.3.3 化學(xué)還原法制備晶態(tài)納米材料3.4 幾種液相制備方法的比較參考文獻(xiàn)第4章 固相制備納米材料的原理、方法、形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)4.1 機(jī)械合金法4.1.1 球磨機(jī)4.1.2 MA的工藝參數(shù)4.1.3 MA制備納米粉末的形成機(jī)理4.1.4 MA制備納米材料實(shí)例4.2 納米體材料的固相制備4.2.1 納米粉末壓制成體納米材料4.2.2 非晶納米晶化4.3 體納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷4.3.1 體納米材料的晶粒4.3.2 體納米材料的晶界4.3.3 體納米材料的缺陷參考文獻(xiàn)第5章 納米材料的自組裝制備原理、方法、形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)5.1 什么是自組裝5.2 自組裝的種類和共同特點(diǎn)5.2.1 自組裝的種類5.2.2 自組裝的共同特點(diǎn)5.3 自組裝制備各種納米材料5.3.1 金屬和合金組分5.3.2 半導(dǎo)體組分5.3.3 聚合物超分子和生物分子組分5.4 納米材料的模板制備5.4.1 納米有序孔洞模板的制備5.4.2 模板自組裝金屬和合金納米材料5.4.3 模板自組裝半導(dǎo)體納米材料參考文獻(xiàn)第6章 納米材料的力學(xué)性能6.1 納米材料的彈性6.2 納米材料的強(qiáng)度、硬度與HallPetch關(guān)系6.2.1 強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)資料6.2.2 硬度與HallPetch關(guān)系6.3 納米材料的斷裂和疲勞6.3.1 斷裂強(qiáng)度和韌性6.3.2 疲勞6.4 納米材料的蠕變和超塑性6.4.1 蠕變6.4.2 超塑性6.5 納米材料的形變和斷裂機(jī)理6.5.1 納米材料的形變機(jī)構(gòu)6.5.2 納米材料的斷裂機(jī)構(gòu)參考文獻(xiàn)第7章 納米材料的熱學(xué)性能7.1 熔點(diǎn)7.1.1 納米材料熔點(diǎn)的降低和升高7.1.2 納米晶材料熔點(diǎn)的模擬7.1.3 納米材料熔化焓和熔化熵7.1.4 納米合金相圖7.2 熱導(dǎo)7.2.1 納米材料熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定7.2.2 納米材料熱導(dǎo)的理論模擬7.3 比熱7.3.1 納米材料的Debye溫度7.3.2 納米材料的比熱容7.4 熱膨脹參考文獻(xiàn)第8章 納米材料的光學(xué)性能8.1 納米材料的光吸收8.1.1 納米材料光吸收實(shí)例8.1.2 光吸收中的紅移和藍(lán)移現(xiàn)象8.2 納米材料的顏色8.3 納米材料的光發(fā)射8.3.1 量子產(chǎn)額8.3.2 納米材料的光致發(fā)光8.3.3 納米材料的電致發(fā)光8.4 納米材料的磁光性能8.4.1 磁光效應(yīng)8.4.2 金屬納米粒子和納米粒子薄膜的磁光效應(yīng)8.4.3 氧化物納米粒子的磁光效應(yīng)8.4.4 非晶磁性納米粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁光效應(yīng)參考文獻(xiàn)第9章 納米材料的電學(xué)性能9.1 納米材料的電阻率9.1.1 金屬納米材料的電阻率9.1.2 合金納米材料的電阻率9.1.3 半導(dǎo)體納米材料的電阻率9.1.4 氧化物納米材料的電阻率9.2 納米材料電阻率的理論模擬9.2.1 FS和MS電阻率理論9.2.2 金屬納米絲電阻率的理論計(jì)算9.2.3 納米材料電阻率的經(jīng)驗(yàn)公式9.3 納米材料的熱電轉(zhuǎn)換效率9.3.1 熱電轉(zhuǎn)換效率和相關(guān)參數(shù)9.3.2 納米材料的熱電轉(zhuǎn)換效率9.3.3 納米材料熱電轉(zhuǎn)換效率的理論計(jì)算9.4 納米材料的超導(dǎo)電性9.4.1 納米粒子的超導(dǎo)電性9.4.2 納米薄膜的超導(dǎo)電性9.4.3 納米絲的超導(dǎo)電性參考文獻(xiàn)第10章 納米材料的磁學(xué)性能10.1 納米磁性材料的磁矩10.1.1 3d鐵磁金屬原子團(tuán)的磁矩10.1.2 超晶格中3d鐵磁金屬原子團(tuán)的磁矩10.1.3 非3d鐵磁金屬原子團(tuán)的磁矩10.2 納米磁性材料的Curie溫度10.2.1 Curie溫度的降低10.2.2 超晶格Curie溫度的振蕩10.3 納米磁性材料的磁化強(qiáng)度和矯頑力10.3.1 磁化強(qiáng)度10.3.2 矯頑力10.4 納米磁性材料的磁電阻和巨磁電阻10.4.1 MR和AMR10.4.2 納米鈣鈦礦錳化物的MR10.4.3 BMR10.4.4 GMR參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論 1.1 納米材料時(shí)代 人類在自己發(fā)展的最初階段，就學(xué)會(huì)了使用火和石頭作工具。工具和器械的使用加快了人類自身從野蠻走向文明、從被動(dòng)利用自然變成主動(dòng)改造自然的速度。人類因此創(chuàng)造了燦爛輝煌的世界文明。而在人類主動(dòng)改造和征服自然的過(guò)程中，工具和器械的使用起了至關(guān)重要的作用，是不可或缺的。而工具和器械的制造離不開(kāi)材料，材料因此是人類社會(huì)發(fā)展和現(xiàn)代文明的重要基石。沒(méi)有材料的發(fā)展，就不會(huì)有人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步和繁榮的文明與經(jīng)濟(jì)?？v觀人類發(fā)展史，材料的發(fā)展及其應(yīng)用是社會(huì)文明和經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的重要里程碑。某一類新材料的問(wèn)世及其應(yīng)用，往往會(huì)引起人類社會(huì)的重大變革，因此人們把這種材料的名字冠為時(shí)代的名字。這種以材料命名人類各種時(shí)代，除了新舊石器，青銅器和鐵器時(shí)代，大家的看法基本一致之外，對(duì)于近代的命名人們的看法則不盡相同。圖1.1表示的是美國(guó)Cornell大學(xué)Ober教授的看法和命名，顯然，聚合物、水泥／鋼鐵，硅和信息時(shí)代是互相重疊的，而其中當(dāng)今及往后的時(shí)代被命名為信息時(shí)代，則不是以材料冠名的。當(dāng)今國(guó)際社會(huì)公認(rèn)，材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱。在三大支柱中，材料又是能源和信息的基礎(chǔ)，這是因?yàn)槿魏喂ぞ摺⑵骷拖到y(tǒng)都必須依靠材料來(lái)制造，根本無(wú)法離開(kāi)材料。因此，應(yīng)當(dāng)像前面各種時(shí)代的命名那樣仍以最典型和最有代表性的材料來(lái)命名為好。那么，究竟以何種材料來(lái)命名呢？似乎以納米材料為好，即命名為納米材料時(shí)代。

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《納米材料物理基礎(chǔ)》為化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行。

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