納米科技基礎(chǔ)

前言

真空科學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的高技術(shù)之一。制備超純材料需要超高真空技術(shù)，太陽能薄膜電池及芯片制作需要清潔真空技術(shù)，航天器空間環(huán)境地面模擬設(shè)備需要大型真空容器技術(shù)。真空科學(xué)技術(shù)已滲透到人們的教學(xué)、科研、生產(chǎn)過程、經(jīng)濟(jì)活動以及日常生活中的方方面面，人們普遍認(rèn)識到了真空科學(xué)技術(shù)的重要性。 真空科學(xué)技術(shù)是一門涉及多學(xué)科、多專業(yè)的綜合性應(yīng)用技術(shù)，它吸收了眾多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和最新成果，使自己不斷地進(jìn)步和發(fā)展。真空科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著國家科學(xué)和工業(yè)現(xiàn)代化的水平，大力發(fā)展真空科學(xué)技術(shù)是振興民族工業(yè)，實(shí)現(xiàn)國家現(xiàn)代化的基本出發(fā)點(diǎn)。 多年來，黨和國家政府非常重視發(fā)展真空科學(xué)技術(shù)。大學(xué)設(shè)立了真空科學(xué)技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)高層次真空專業(yè)人才；興辦真空企業(yè)，設(shè)計、制造真空產(chǎn)品；成立真空科學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)新技術(shù)，提高真空應(yīng)用水平；建立了相當(dāng)規(guī)模和水平的真空教學(xué)、科研和生產(chǎn)體系；獨(dú)立自主地生產(chǎn)出各種真空產(chǎn)品，滿足了各行業(yè)的需求，推動了社會主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 在取得豐碩的物質(zhì)成果和經(jīng)濟(jì)效益的同時，真空科技人員積累了寶貴的理論認(rèn)知和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在和真空科學(xué)技術(shù)摸、爬、滾、打的漫長歲月中，一大批人以畢生的精力，辛勤的勞動親身經(jīng)歷了多少次失敗的痛苦和成功的喜悅。通過深刻的思考與精心的整理換得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些付出了昂貴代價得來的知識是書本上難以學(xué)到的。經(jīng)歷了半個世紀(jì)滄桑歲月，當(dāng)年風(fēng)華正茂的真空科技工作者均年事已高，霜染鬢須，退居二線。唯一的希望是將自己積累的知識、技能、經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)通過文字載體傳承給新一代的后來人，使他們能夠在前人搭建的較高平臺上工作?；谶@一考慮，在蘭州物理研究所支持下，我們聚集在一起，成立了《真空科學(xué)技術(shù)叢書》編寫委員會，由全國高等院校、科研院所及企業(yè)中長期從事真空科學(xué)技術(shù)研制工作的工程技術(shù)人員組成。編寫一套《真空科學(xué)技術(shù)叢書》，系統(tǒng)的、完整的從真空科學(xué)技術(shù)的基本理論出發(fā)，重點(diǎn)敘述應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用的典型例證。這套叢書分專業(yè)、分學(xué)科門類編寫，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性、理論性和實(shí)用性，避免重復(fù)性。這套叢書的出版是我國真空科學(xué)技術(shù)工作者大力合作的成果，匯集了我國真空科學(xué)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，希望這套叢書對21世紀(jì)我國真空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展起到推動作用，為實(shí)施科教興國戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。 這套叢書像流水一樣持續(xù)不斷，是不封閉的系列叢書，只要有相關(guān)著作就可以陸續(xù)納入這套叢書出版。《叢書》可供大專院校師生，科學(xué)研究人員，工業(yè)、企業(yè)技術(shù)人員參考。 這套叢書成立了編寫委員會，設(shè)主編、副主編及參編人員、技術(shù)編輯等，由化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行。部分真空界企業(yè)提供了資助，作者、審稿者、編輯等付出了辛勤勞動，在此一并表示衷心感謝。 達(dá)道安 2012年03月22日

內(nèi)容概要

　　20世紀(jì)微電子的成就推動人類社會進(jìn)入了信息時代，微電子小型化的發(fā)展趨勢促使納米科技崛起，成為多學(xué)科交叉研究的新領(lǐng)域。在納米科技中最重要的學(xué)科是電子學(xué)，電子學(xué)至今經(jīng)歷了真空電子學(xué)、固體電子學(xué)，納電子學(xué)三個階段。
　　本書以真空科技為出發(fā)點(diǎn)，涉及電子學(xué)發(fā)展的過程，討論納米科技的基礎(chǔ)問題。包括納米科技的基礎(chǔ)理論、納米材料、納米材料的制備、測量表征、納米傳感器、納米功能器件、納電子器件、關(guān)聯(lián)電子學(xué)和智能電子學(xué)等內(nèi)容。
　　本書適用于從事真空科技、納米科技有關(guān)工作的本科生、研究生和科技工作者參考。

書籍目錄

緒論
  0.1 真空科學(xué)與納米科技
  0.2 科學(xué)發(fā)展的新時代
  0.3 一代電子學(xué)的基本元件
  參考文獻(xiàn)
第1章  納米科技的理論基礎(chǔ)
  1.1 量子效應(yīng)
  1.2 尺寸效應(yīng)
  1.3 維數(shù)效應(yīng)
  1.4 相位相干
  1.5 單電子行為
  1.6 量子比特
  1.7 量子調(diào)控
  參考文獻(xiàn)
第2章  納米材料
  2.1 納米材料的基本特性
  2.2 功能材料和結(jié)構(gòu)材料
  2.3 納米復(fù)合材料
  2.4 碳納米材料
  2.5 納米材料的負(fù)面影響
  參考文獻(xiàn)
第3章  納米材料制備
  3.1 物理氣相沉積方法
  3.2 化學(xué)氣相沉積方法
  3.3 一維納米材料的制備方法
  3.4 氣-液-固生長模型
  3.5 固-液-固生長模型
  3.6 用模板制造納米線
  參考文獻(xiàn)
第4章  納米材料的測量表征
  4.1 具有原子尺度分辨的儀器
  4.2 掃描探針顯微鏡
  4.3 超高真空掃描隧道顯微鏡
  4.4 電子顯微鏡
  4.5 Ｘ射線衍射
  4.6 拉曼譜分析
  4.7 光譜分析
  4.8 納米表征選擇
  參考文獻(xiàn)
第5章  納米傳感器
  5.1 納米傳感器的概念
  5.2 氣體傳感器
  5.3 環(huán)境傳感器
  5.4 微生物傳感器
  5.5 碳納米管傳感器
  5.6 生物芯片
  參考文獻(xiàn)
第6章  納米功能器件
  6.1 納米太陽能電池
  6.2 功能器件
  6.3 熱電效應(yīng)
  6.4 納米晶受激光發(fā)射
  6.5 光裂解碳納米管中的水
  參考文獻(xiàn)
第7章  納電子器件
  7.1 納電子器件的基本概念
  7.2 納米三極管
  7.3 單電子器件
  7.4 構(gòu)造新型三極管
  7.5 C60單電子三極管
  7.6 碳納米管場效應(yīng)三極管
  7.7 石墨烯三極管
  7.8 石墨烯的奇異特性
  7.9 有機(jī)聚合物三極管
  參考文獻(xiàn)
第8章  關(guān)聯(lián)電子學(xué)
  8.1 軌道電子云
  8.2 電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)
  8.3 自旋電子學(xué)
  8.4 鐵電/鐵磁場效應(yīng)管
  8.5 多場調(diào)控器件
  參考文獻(xiàn)
第9章  智能電子學(xué)
  9.1 NBIC匯聚技術(shù)
  9.2 有機(jī)電子學(xué)
  9.3 生物電子學(xué)
  9.4 分子電子學(xué)的難題
  9.5 智能電路
  9.6 納米科技的未來
  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：    宏觀量子效應(yīng)是由大量微觀粒子組成的宏觀系統(tǒng)，在某些條件下呈現(xiàn)出的整體量子現(xiàn)象。根據(jù)量子理論的波粒二重性學(xué)說，微觀實(shí)物粒子會像光波、電磁波一樣，具有干涉、衍射等波動特征，形成物質(zhì)波（德布羅意波）。但日常所見的宏觀物體，雖然是由服從這種量子力學(xué)規(guī)律的微觀粒子組成，但由于其空間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些微觀粒子的德布羅意波長，微觀粒子量子特性由于統(tǒng)計平均的結(jié)果而被掩蓋了。因此，在通常的條件下，宏觀物體整體上并不出現(xiàn)量子效應(yīng)。然而，在溫度降低或粒子密度變大等特殊條件下，宏觀物體的微觀粒子會相干地耦合起來，通過長程關(guān)聯(lián)或重組進(jìn)入能量較低的量子態(tài)，形成一個有機(jī)的整體，使得整個系統(tǒng)表現(xiàn)出奇特的量子性質(zhì)。例如，原子氣體的玻色一愛因斯坦凝聚、超流性、超導(dǎo)電性和約瑟夫遜（Josephson）效應(yīng)等都是宏觀量子效應(yīng)。 1924年玻色發(fā)表了今天稱之為“玻色-愛因斯坦統(tǒng)計”的第一篇文章。接著，愛因斯坦完善和發(fā)展了這項(xiàng)工作。當(dāng)他們把玻色統(tǒng)計應(yīng)用到全同粒子組成的玻色原子理想氣體時，從理論上預(yù)言了“凝聚”的現(xiàn)象：在一個臨界溫度以下，宏觀數(shù)量的原子將突然凝聚到動量為零的單一量子態(tài)上。由于這時形成了宏觀量子態(tài)，其熱力學(xué)特性（如比熱容）將出現(xiàn)非解析和不連續(xù)的行為。對這種由原子組成的無相互作用系統(tǒng)，在宏觀尺度上會出現(xiàn)奇特的集體行為，它與體積和粒子數(shù)同時趨向無窮，保持密度不變的熱力學(xué)極限有關(guān)。 組成自然界的微觀粒子可分為兩大類：玻色子和費(fèi)米子，只有在極低的溫度下，二者才表現(xiàn)出各自明顯的宏觀量子特性。低溫下費(fèi)米子配對重組的超導(dǎo)，也是玻色一愛因斯坦凝聚的一個物理實(shí)現(xiàn)。根據(jù)巴?。↗.Bardeen）、庫柏（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）建立的超導(dǎo)的微觀（BCS）理論，速率相等、方向相反、自旋也相反的兩個電子，在低溫下通過與金屬晶格上的原子振動交換能量，產(chǎn)生吸引作用，組成一種稱為“庫柏對”的玻色子。大量庫柏對電子構(gòu)成了超導(dǎo)體的基態(tài)，形成具有整體關(guān)聯(lián)的宏觀量子態(tài)，出現(xiàn)具有零電阻特征的超導(dǎo)現(xiàn)象。 基于超導(dǎo)體的宏觀量子特性，1962年，英國物理學(xué)家約瑟夫遜（B.D.Josephson）預(yù)言，在兩塊超導(dǎo)體間夾有極薄絕緣層，不加電壓時仍有超導(dǎo)電流會從一塊超導(dǎo)體通過絕緣層到另一塊超導(dǎo)體。如果兩端加電壓V，則有頻率為f=2eV／h的交變電流通過。這里e為電子電荷量，h為普朗克常數(shù)。這些預(yù)言均為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這種現(xiàn)象稱為“約瑟夫遜效應(yīng)”。從物理上講，這個效應(yīng)說明存在電荷為2e的載體，這就是庫柏對。當(dāng)該庫柏對由一個超導(dǎo)體穿過兩端電壓為V的極薄絕緣層到另一塊超導(dǎo)體時，該庫柏對的能量差為2eV，對能量與頻率的關(guān)系量子理論給出了合理的解釋。因此，約瑟夫遜效應(yīng)是一個與庫柏對有關(guān)的、典型的宏觀量子現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室，頻率可以測量得非常精確，因而，可利用V=hf/2e確定電壓。作為電壓標(biāo)準(zhǔn)，其精確度可達(dá)10-8V?，F(xiàn)在，約瑟夫遜效應(yīng)的器件已成為超導(dǎo)體在弱電信號測量應(yīng)用的重要元件。以上各種現(xiàn)象都是目前為科學(xué)家深入研究的宏觀量子效應(yīng)。

編輯推薦

《納米科技基礎(chǔ)》適用于從事真空科技、納米科技有關(guān)工作的本科生、研究生和科技工作者參考。

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