納米材料表面電子結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)容概要

納米科學(xué)與技術(shù)是表面科學(xué)與技術(shù)的延伸和發(fā)展，因?yàn)閮烧叩睦碚摶A(chǔ)和實(shí)驗(yàn)研究方法基本相同。電子結(jié)構(gòu)是決定材料光、電等物理性質(zhì)及化學(xué)催化活性的關(guān)鍵。本書從表面科學(xué)角度，集中討論納米材料表面的電子結(jié)構(gòu)具有從原子分子的分裂能級到塊體連續(xù)能帶的過渡特征。全書重點(diǎn)介紹如何利用表面科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法獲取納米材料電子結(jié)構(gòu)的信息，同時(shí)，注意理論計(jì)算與具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，比較清楚地闡釋了納米結(jié)構(gòu)狀態(tài)下電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。    全書除緒論外，共分5章。第1章從已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，充分說明納米材料電子結(jié)構(gòu)的過渡特性。第2章介紹納米電子結(jié)構(gòu)研究中，目前常用的表面科學(xué)方法，重點(diǎn)討論分析方法的物理基礎(chǔ)、譜含有的信息及對描述納米材料電子結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。隨后選擇一些最新研究成果，在第3～5章，分別介紹了碳質(zhì)納米材料、異質(zhì)納米界面以及半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)的量子尺寸效應(yīng)。    本書可作為材料、能源環(huán)境、信息工程以及物理化學(xué)領(lǐng)域研究生和高年級本科生的教材；對于工作在這些領(lǐng)域的科學(xué)工作者、教師、工程技術(shù)專家，本書也是一本有益的參考書籍。對于那些從事表面分析的專家，面對當(dāng)今蓬勃發(fā)展的納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域提出的眾多課題，如何提高分析水平，本書所提供的分析范例及相關(guān)引文，亦具有實(shí)際參考價(jià)值。

書籍目錄

0  緒論  0.1  內(nèi)容限定  0.2  表面對納米電子結(jié)構(gòu)的影響  0.3  占有態(tài)與未占有態(tài)  0.4  納米材料電子結(jié)構(gòu)的過渡特征及簇的橋梁作用  0.5  理論對納米電子結(jié)構(gòu)分析的支持  參考文獻(xiàn)1  納米材料電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)  1.1  材料電子結(jié)構(gòu)概述    1.1.1  Bloch波函數(shù)    1.1.2  κ空間與能帶結(jié)構(gòu)    1.1.3  Fermi能Ef及Fermi分布函數(shù)F(E)    1.1.4  狀態(tài)密度  1.2  表面電子態(tài)    1.2.1  金屬表面電子隧穿效應(yīng)    1.2.2  半導(dǎo)體表面能帶彎曲    1.2.3  金屬氧化物表面缺陷及電子結(jié)構(gòu)  1.3  金屬納米簇電子結(jié)構(gòu)    1.3.1  納米簇電子結(jié)構(gòu)的過渡特性    1.3.2  電子受限尺度    1.3.3  勢阱與電子能級    1.3.4  尺寸與維數(shù)對納米電子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響    1.3.5  金屬納米簇質(zhì)譜圖與Jel1ium模型    1.3.6  “魔數(shù)”與納米簇結(jié)構(gòu)周期表    1.3.7  金屬納米簇電離勢    1.3.8  金屬納米簇價(jià)帶結(jié)構(gòu)    1.3.9  金屬納米簇極化率    1.3.10  納米簇質(zhì)譜與Je1lium模型適用性評估    1.3.11  金屬納米粒子電中性及Coulomb阻塞    1.3.12  簇尺寸誘導(dǎo)金屬-絕緣體過渡    1.3.13  金屬納米粒子之間的單電子傳輸  1.4  半導(dǎo)體納米粒子的電子結(jié)構(gòu)    1.4.1  基本概念與幾個(gè)相關(guān)參數(shù)    1.4.2  納米Si電子結(jié)構(gòu)    1.4.3  Si納米粒子的電子結(jié)構(gòu)PES測定    1.4.4  化合物半導(dǎo)體納米粒子的電子結(jié)構(gòu)    1.4.5  激子  1.5  納米有機(jī)聚合物電子結(jié)構(gòu)    1.5.1  有機(jī)分子電子結(jié)構(gòu)及PES譜    1.5.2  聚乙炔分子結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機(jī)制    1.5.3  trans-(CH)xUPS測定    參考文獻(xiàn)2  納米材料表面電子結(jié)構(gòu)表征方法  2.1  引言    2.1.1  電子結(jié)構(gòu)的完整表述    2.1.2  電子結(jié)構(gòu)表征方法概述  2.2  X射線光電子譜(XPS)    2.2.1  原激發(fā)過程與XPS譜    2.2.2  化學(xué)位移與占有態(tài)結(jié)構(gòu)    2.2.3  終態(tài)效應(yīng)與電子結(jié)構(gòu)    2.2.4  XPS價(jià)帶譜    2.2.5  表面原子內(nèi)能級物理位移  2.3  紫外光電子譜    2.3.1  價(jià)電子結(jié)構(gòu)與紫外光電子譜    2.3.2  角分辨紫外光電子譜測量    2.3.3  表面態(tài)與UPS譜    2.3.4  UPS測量時(shí)的幾個(gè)問題  2.4  自旋極化光電子譜    2.4.1  方法簡介    2.4.2  鐵磁性材料極化率    2.4.3  非磁性材料極化率  2.5  兩光子光發(fā)射譜    2.5.1  分子-電極界面    2.5.2  2PPE工作原理    2.5.3  2PPE實(shí)驗(yàn)觀測量    2.5.4  2PPE實(shí)驗(yàn)裝置簡介    2.5.5  界面電子結(jié)構(gòu)與2PPE譜  2.6  反光電子譜    2.6.1  反光電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)    2.6.2  表面想象勢態(tài)    2.6.3  Ge能帶結(jié)構(gòu)的完備表征    2.6.4  CO分子吸附態(tài)    2.6.5  金屬-半導(dǎo)體界面態(tài)  2.7  X射線吸收譜    2.7.1  固體中X射線吸收和發(fā)射    2.7.2  近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜    2.7.3  NEXAFS實(shí)驗(yàn)    2.7.4  NEXAFS譜與空態(tài)結(jié)構(gòu)  2.8  固體拉曼光譜簡介    2.8.1  拉曼光譜基本原理    2.8.2  激光拉曼譜儀    2.8.3  數(shù)據(jù)分析和RS闡釋  參考文獻(xiàn)3  碳質(zhì)納米材料表面電子結(jié)構(gòu)表征  3.1  碳質(zhì)納米結(jié)構(gòu)家族叫  3.2  碳質(zhì)薄膜特征與sp2、sp3雜化鍵分析    3.2.1  拉曼光譜法    3.2.2  XPS分析    3.2.3  占有與未占有電子態(tài)SXEA測定  3.3  a-C:H薄膜狀態(tài)密度與sp2雜化碳原子空間結(jié)構(gòu)    3.3.1  a-C:H薄膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與電子態(tài)    3.3.2  a-C電極中C-H和C-O鍵問題  3.4  a-C薄膜中sp雜化鍵    3.4.1  a-C膜中sp雜化鍵測定    3.4.2  a-C膜中sp雜化鍵的穩(wěn)定性  3.5  石墨電子結(jié)構(gòu)    3.5.1  基礎(chǔ)知識    3.5.2  單晶石墨能帶結(jié)構(gòu)ARUPS測量    3.5.3  C KVV俄歇線形與層間軌道相互作用    3.5.4  結(jié)構(gòu)缺陷與電子傳輸    3.5.5  石墨帶寬    3.5.6  石墨C sp2鍵修正與X射線吸收譜    3.5.7  石墨n2態(tài)密度與C K邊XANES譜  3.6  類金剛石薄膜電子結(jié)構(gòu)綜合表征    3.6.1  EELS分析    3.6.2  XPS分析    3.6.3  D參數(shù)法    3.6.4  NEXAFS分析    3.6.5  UPS分析  3.7  金剛石薄膜幾個(gè)電參數(shù)分析    3.7.1  表面電阻率與拉曼譜    3.7.2  逸出功與SKPM分析    3.7.3  摻硼金剛石半導(dǎo)體氘化與傳導(dǎo)特性轉(zhuǎn)換  3.8  富勒希電子結(jié)構(gòu)表征    3.8.1  C60構(gòu)型及其分子固體結(jié)構(gòu)簡介    3.8.2  幾個(gè)原型富勒希分子固體UPS/EELS分析    3.8.3  雜原子富勒希電子結(jié)構(gòu)測定    3.8.4  插入金屬富勒希電子結(jié)構(gòu)測定  3.9  碳納米管    3.9.1  碳納米管幾何結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)    3.9.2  單壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)及傳輸特性    3.9.3  單壁碳納米管電子結(jié)構(gòu)測定    3.9.4  化學(xué)修篩SWCNT電子結(jié)構(gòu)  參考文獻(xiàn)4  納米異質(zhì)界面電子結(jié)構(gòu)分析  4.1  有機(jī)分子膜/金屬界面電子結(jié)構(gòu)    4.1.1  界面電子結(jié)構(gòu)類型    4.1.2  界面電子結(jié)構(gòu)UPS分析    4.1.3  界面電子結(jié)構(gòu)UPS與IPES組合分析    4.1.4  有機(jī)分子/金屬界面2PPE分析  4.2  SiO2/Si界面電子結(jié)構(gòu)分析    4.2.1  SiO2/Si界面化學(xué)結(jié)構(gòu)表征    4.2.2  SiO2/Si界面電子結(jié)構(gòu)表征    4.2.3  界面電子結(jié)構(gòu)參數(shù)與SiO2膜介電常數(shù)  4.3  負(fù)載金屬納米粒子的電子結(jié)構(gòu)分析    4.3.1  負(fù)載金屬簇界面電子結(jié)構(gòu)光發(fā)射分析    4.3.2  負(fù)載金屬簇局域狀態(tài)密度STM/STS分析    4.3.3  負(fù)載金屬簇電子受激時(shí)的尺寸效應(yīng)    4.3.4  強(qiáng)金屬載體相互作用(SMSI)分析  4.4  雙金屬表面電子結(jié)構(gòu)分析    4.4.1  單層雙金屬樣品制備及分析條件    4.4.2  Ni/Pt(111)模型樣品表面結(jié)構(gòu)表征    4.4.3  表面d帶中心    4.4.4  Ni/Pt(111)電子結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)  4.5  納米薄膜量子尺寸效應(yīng)與光發(fā)射譜    4.5.1  引言    4.5.2  晶格匹配Ag/Au(111)和Au/Ag(111)體系    4.5.3  品格失配界面光發(fā)射測量    4.5.4  原子平整界面光發(fā)射譜  參考文獻(xiàn)5  納米半導(dǎo)體光電性質(zhì)尺寸效應(yīng)分析  5.1  納米Si帶隙量子尺寸效應(yīng)補(bǔ)充說明  5.2  Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體量子點(diǎn)尺寸效應(yīng)分析    5.2.1  InAs量子點(diǎn)帶隙與尺寸關(guān)系    5.2.2  InGaAs量子點(diǎn)帶隙尺寸效應(yīng)和合金化    5.2.3  InAs量子點(diǎn)逸出功KFM測量    5.2.4  含InP量子點(diǎn)InCaP/GaAs異質(zhì)體系電子結(jié)構(gòu)表征  5.3  Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體納米晶尺寸效應(yīng)分析    5.3.1  CdSe納米晶光學(xué)特性尺寸效應(yīng)    5.3.2  CdTe納米晶電子結(jié)構(gòu)XES分析    5.3.3  CdS/CdTe界面價(jià)帶補(bǔ)償XPS分析    5.3.4  CdS納米晶帶結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)  5.4  Cu2S納米棒的電子結(jié)構(gòu)PD-XAS分析  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　其次，從實(shí)際研究中人們已逐漸領(lǐng)悟到，要在納米科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)，必定要依賴于多種學(xué)科的交叉與合作，要具備多種學(xué)科知識。人們不難發(fā)現(xiàn)世界范圍內(nèi)，一個(gè)國家的不同部門，一個(gè)大學(xué)或研究所內(nèi)的不同系與專業(yè)，都有一批杰出的科學(xué)家在從事納米科學(xué)與技術(shù)研究，他們研究的內(nèi)容往往涉及自己并不熟悉的其他專業(yè)學(xué)科，或者發(fā)現(xiàn)依靠其他專業(yè)的知識和方法，能夠比較容易地解決自身專業(yè)研究中的理論或技術(shù)難題。這種學(xué)科交叉的特點(diǎn)，客觀上必然給納米課題研究帶來某些困難，使工作在一個(gè)領(lǐng)域（如物理）的研究人員難以理解另一領(lǐng)域（如生命科學(xué)）的研究結(jié)果與發(fā)展趨勢。自有生命以來，生物體系一直不斷地在制造具有納米功能的器件，因此人們需要學(xué)習(xí)、研究生物體系如何構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)和功能器件的內(nèi)容，這方面的例子有很多。顯然，作為一個(gè)正在從事構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)但尚不知道氨基酸和蛋白質(zhì)區(qū)別的固體物理學(xué)家，如何從生物體系學(xué)習(xí)有益的東西，并能把自身的物理知識與生物、化學(xué)、電子工程、機(jī)械工程等知識結(jié)合起來，去創(chuàng)造新的知識、設(shè)計(jì)并制造新的納米器件，是一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。這就要求工作在單一學(xué)科的研究人員，注意學(xué)習(xí)相鄰學(xué)科的知識，關(guān)心相鄰學(xué)科中納米科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，主動(dòng)與其他學(xué)科的納米專家進(jìn)行合作?！　∫陨蟽牲c(diǎn)比較科學(xué)的總結(jié)與認(rèn)識，不論對于那些正在從事納米科學(xué)與技術(shù)研究_的專家，對于那些在領(lǐng)導(dǎo)納米科學(xué)與技術(shù)研發(fā)的政府領(lǐng)導(dǎo)人、公司經(jīng)理，還是那些有志步人納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的年輕學(xué)者，應(yīng)當(dāng)說是十分寶貴和重要的?！　∵@里需要特別強(qiáng)調(diào)的是，人們從大量的納米材料制備、完備的結(jié)構(gòu)表征、性能測試分析以及具體技術(shù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，納米材料的電子結(jié)構(gòu)是決定其各種新奇物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，也是理解納米結(jié)構(gòu)各種奇妙現(xiàn)象、獲得創(chuàng)新思維、合成有特殊功能納米材料的基礎(chǔ)。例如，對于那些強(qiáng)化學(xué)鍵的金屬材料，其價(jià)電子的非定域程度是很寬的，問題是這種非定域程度會隨著體系尺寸的下降而改變。這種效應(yīng)及其隨著尺寸的變化，直接導(dǎo)致體系的宏觀化學(xué)和物理性質(zhì)與尺寸有關(guān)。實(shí)踐已經(jīng)證明，物質(zhì)的許多屬性，如磁性、光電特性、熔點(diǎn)、比熱容和表面反應(yīng)能力，都同納米粒子的大小有關(guān)，表現(xiàn)出各種尺寸效應(yīng)。進(jìn)一步，如把這些超微粒子固化成宏觀塊狀固體，這些材料會呈現(xiàn)出新的性質(zhì)，如它的彈性會比通常塊體增強(qiáng)。對于半導(dǎo)體材料，如Si、CdS和ZnO等，它們的帶隙寬度也會隨尺寸而改變[7]。化學(xué)上最突出的性質(zhì)是，納米材料的表面能量和表面形貌隨著尺寸的減小會有很大的變化，表面電子結(jié)構(gòu)將直接增強(qiáng)表面原有的反應(yīng)能力，如催化活性?！　”緯约{米材料電子結(jié)構(gòu)分析為主題，討論與此有關(guān)的一些基本概念和特點(diǎn)，重點(diǎn)是介紹材料電子結(jié)構(gòu)的表征方法，分析該領(lǐng)域內(nèi)某些最新進(jìn)展，以及一些典型的分析研究實(shí)例?？梢哉f納米材料的電子結(jié)構(gòu)，已構(gòu)成納米科學(xué)與技術(shù)中一個(gè)特定的基礎(chǔ)研究內(nèi)容，它是納米科學(xué)與技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一?！　≡谶x擇并組織本書主題內(nèi)容時(shí)，筆者注意并特別強(qiáng)調(diào)下列幾個(gè)相關(guān)問題，在此做一些必要的說明。這些問題的簡要討論，對于那些缺少物理專業(yè)知識的讀者很好地理解以下章節(jié)討論的納米電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表征方法，分析并理解相關(guān)儀器提供的信息內(nèi)容以及和外特性的聯(lián)系，是十分必要和有益的。

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