納米材料物理基礎(chǔ)

前言

進入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章緒論中將對此作出較詳細的分析討論。如果從現(xiàn)在起就充分注意納米材料乃至整個納米科技帶來的利弊，使之穩(wěn)當(dāng)?shù)刈咴谄湔_的發(fā)展軌道上，那么給人類帶來的將是無與倫比的巨大利益，給地球村帶來的會是更加璀璨的繁榮。納米材料，尤其是整個納米科技，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)象和問題，給從多方面理解、說明，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。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)地進行了一些有關(guān)納米材料的實驗研究，所使用的實驗方法包括化學(xué)還原法、機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，還對它們的熱學(xué)和磁學(xué)等性能進行過測定。在準(zhǔn)備、構(gòu)思和寫作本書的過程中，認定必須遵守下面的兩條原則。首先是盡一切努力使書能夠反映學(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驗研究過程中掌握了相當(dāng)一部分資料，但對于寫書來說，卻覺得遠遠不夠。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遺漏地掌握的。同一個問題的資料，作者盡量使用最近期的，同時候的那就按自己的構(gòu)思和想法選取。采用得對不對、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，只有請讀者去評論了。其次，就是如何寫的問題。多少年來，我總是告誡自己和學(xué)生，寫東西，不論是論文還是書，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，因為論文和書不僅是你的研究勞動成果，更是為了給讀者看和讀的。不少的書和論文，不僅讀起來一目了然，內(nèi)容交代得清清楚楚，還涉及問題的來龍去脈，而且也有作者的看法或評論，看過之后確實能得到啟發(fā)。可總是有那么極少數(shù)的例外，不那么易于揣測其原意。寫本書的過程中看了C60的發(fā)現(xiàn)者之一、Nobel獎得主Smalley教授1997年發(fā)表在“Mod Phys Rev”上他接受Nobel獎時的演說詞，他特別費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, 就是因為這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時遠未完備，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。使人一看就見底，多么誠實、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物理學(xué)會60周年開幕式上，我國物理學(xué)界前輩黃昆教授應(yīng)邀作半導(dǎo)體超晶格的報告，開場沒幾句話，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題的實質(zhì)佩服不已。當(dāng)然，這都是些學(xué)問大家。本書在這方面做得何如，達沒達到我自己一貫所堅持的，也都得請讀者去評論。本書寫作意圖是想將現(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現(xiàn)今納米材料的主要內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀有一個較明確的較全面的了解，并希望能夠引發(fā)對于納米材料的興趣，給立志在納米材料的未來發(fā)展中做出貢獻的年輕朋友們起到點指引和幫助的作用。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，故沒有被涉及。納米材料的負面效應(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調(diào)了納米材料的雙刃性，目的是提出警示、保護地球村，使納米材料能夠朝著正確的道路前進。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作，沒有她的貢獻是難以一氣完成的。湖南大學(xué)圖書館和網(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和支持。在此一并表示衷心感謝。本書中所有的圖形，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)過原有版權(quán)持有者(學(xué)會、出版機構(gòu)、雜志或論文和網(wǎng)上資料作者)-明細將另表列出-同意，允許使用，作者對他們表示感謝。

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。進入21世紀(jì)以來，納米材料一直都是科學(xué)研究的熱點。《納米材料物理基礎(chǔ)》以作者多年的研究成果及國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)》沒有按門類對各種納米材料進行介紹，而是將其共性問題抽提出來進行闡述和討論，使讀者從物理學(xué)的角度對納米材料有更深入的了解。作者對納米材料物理學(xué)各種理論、技術(shù)進展的點評和分析是《納米材料物理基礎(chǔ)》的亮點，《納米材料物理基礎(chǔ)》還獨特地強調(diào)了納米材料的雙刃性。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 納米材料時代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)實用化階段1.4 納米材料的重要性1.4.1 世界各主要國家國家級納米科技計劃1.4.2 世界各主要國家納米科技投資1.4.3 納米科技重要性原因分析1.5 納米材料可能的問題1.6 納米材料物理基礎(chǔ)主要研究內(nèi)容參考文獻第2章 氣相制備納米材料的原理、方法、形成機理和結(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 過濾陰極真空電弧淀積2.4.1 磁過濾與fcva設(shè)備2.4.2 fcva淀積膜的實例2.5 各類氣相淀積方法的比較參考文獻第3章 液相制備納米材料的原理、方法、形成機理和結(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)機理3.2.3 solgel法制備納米材料實例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第4章 固相制備納米材料的原理、方法、形成機理和結(jié)構(gòu)4.1 機械合金法4.1.1 球磨機4.1.2 MA的工藝參數(shù)4.1.3 MA制備納米粉末的形成機理4.1.4 MA制備納米材料實例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第5章 納米材料的自組裝制備原理、方法、形成機理和結(jié)構(gòu)5.1 什么是自組裝5.2 自組裝的種類和共同特點5.2.1 自組裝的種類5.2.2 自組裝的共同特點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 納米材料的強度、硬度與HallPetch關(guān)系6.2.1 強度的實驗資料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理6.5.1 納米材料的形變機構(gòu)6.5.2 納米材料的斷裂機構(gòu)參考文獻第7章 納米材料的熱學(xué)性能7.1 熔點7.1.1 納米材料熔點的降低和升高7.1.2 納米晶材料熔點的模擬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)率的實驗測定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 納米材料光吸收實例8.1.2 光吸收中的紅移和藍移現(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算9.2.3 納米材料電阻率的經(jīng)驗公式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鐵磁金屬原子團的磁矩10.1.2 超晶格中3d鐵磁金屬原子團的磁矩10.1.3 非3d鐵磁金屬原子團的磁矩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度和矯頑力10.3.1 磁化強度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

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論 1.1 納米材料時代 人類在自己發(fā)展的最初階段，就學(xué)會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、從被動利用自然變成主動改造自然的速度。人類因此創(chuàng)造了燦爛輝煌的世界文明。而在人類主動改造和征服自然的過程中，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材料，材料因此是人類社會發(fā)展和現(xiàn)代文明的重要基石。沒有材料的發(fā)展，就不會有人類社會的發(fā)展進步和繁榮的文明與經(jīng)濟?？v觀人類發(fā)展史，材料的發(fā)展及其應(yīng)用是社會文明和經(jīng)濟進步的重要里程碑。某一類新材料的問世及其應(yīng)用，往往會引起人類社會的重大變革，因此人們把這種材料的名字冠為時代的名字。這種以材料命名人類各種時代，除了新舊石器，青銅器和鐵器時代，大家的看法基本一致之外，對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，硅和信息時代是互相重疊的，而其中當(dāng)今及往后的時代被命名為信息時代，則不是以材料冠名的。當(dāng)今國際社會公認，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)，這是因為任何工具、器件和系統(tǒng)都必須依靠材料來制造，根本無法離開材料。因此，應(yīng)當(dāng)像前面各種時代的命名那樣仍以最典型和最有代表性的材料來命名為好。那么，究竟以何種材料來命名呢？似乎以納米材料為好，即命名為納米材料時代。

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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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