納米科技創新方法研究

《納米科技創新方法研究》是科學出版社出版的圖書，作者是王琛。

基本介紹

• 書名：納米科技創新方法研究
• 作者：王琛
• ISBN：978-7030-333209
• 出版社：科學出版社
• 出版時間：2/1/2012

基礎信息

書名：納米科技創新方法研究

書號：978-7030-333209

作者：王琛 等

出版日期：2/1/2012

叢書名：納米科學與技術

定價：88

開本：B5

裝幀：平裝

字數（千字數）：480

出版社：科學出版社

內容簡介

本書歸納總結納米科學研究中的創新科學方法及思想，分析納米科學研究方法的發展趨勢，闡述先進的納米科學測量儀器和技術手段，論述納米科學研究方法與其他學科領域的交叉、融合與互相促進。重點論述納米材料合成方法學、自組裝方法、掃描探針顯微技術、單分子科學、分子影像技術、聚焦電子束/聚焦離子束技術、納米刻蝕技術、納米標準及理論計算方法等，並探討了其發展的根源、創新思維及未來的發展等。

作者介紹

王琛，男，國家納米科學中心研究員，中心主任。1986年畢業於中國科學技術大學, 1992年5月在美國維吉尼亞大學獲博士學位,1992年6月至1993年12月在美國亞利桑那州立大學化學系從事博士後研究, 1994年2月至1995年8月任華中師範大學物理系教授,1995年9月-2004年4月任中科院化學所研究員。2004年4月至今為國家納米科學中心研究員。北京大學，吉林大學，華中師範大學兼職教授。曾承擔國家自然科學基金委重點項目，國家傑出青年基金，973課題，中科院重大項目課題等。曾經多次在國際學術會議上作邀

編輯推薦

獲國家出版基金資助出版

中國科學院院長白春禮院士主編

科技部創新方法項目成果

國家納米科學中心主任編著

內容涉及化學、物理、生物、材料、醫學等學科領域

讀者對象

本書可作為高等院校物理、化學、生物、材料、醫學等專業研究生的參考教材,也可供從事納米科學與技術相關研究的科技工作者參考。

圖書目錄

《納米科學與技術》叢書序

前言

第一篇 緒論

第1章 納米科技研究方法

1.1 科學方法研究

1.1.1 關於科學方法

1.1.2 科學方法的分類

1.1.3 科學方法的主要內容

1.1.4 科學方法的發展歷程

1.1.5 研究科學方法的意義

1.2 科技發展的新時代

1.2.1 科學發展的變革時期

1.2.2 科技發展的機遇

1.3 科技面臨的新問題

1.3.1 原子團特性

1.3.2 量子效應

1.3.3 尺寸效應

1.3.4 維數效應

1.3.5 相位相干

1.3.6 單電子行為

1.3.7 量子比特

1.3.8 多場調控

1.4 多學科交叉的研究方法

1.4.1 納米結構的複雜性

1.4.2 多尺度與界面

1.4.3 大學科交叉

1.5 納米科技研究方法的發展趨勢

1.5.1 NBIC匯聚技術

1.5.2 分子電子學的難題

1.5.3 生物電子學

1.5.4 智慧型電路與人造物種

參考文獻

第二篇 納米材料製備篇

第2章 納米材料的液相製備方法

2.1 燒杯中的化學

2.2 水相合成

2.2.1 半導體納米粒子

2.2.2 貴金屬納米粒子

2.2.3 金屬氧化物納米材料

2.2.4 磁性納米材料

2.3 有機相合成

2.3.1 半導體納米材料

2.3.2 貴金屬納米材料

2.3.3 金屬氧化物納米材料

2.3.4 磁性納米材料

2.4 界面合成

參考文獻

第3章 一維納米材料的氣相合成

3.1 氣相合成方法的分類

3.2 化學氣相沉積方法製備碳納米管

3.2.1 化學氣相沉積方法在碳納米管研究中的套用

3.2.2 化學氣相沉積方法製備碳納米管的實驗裝置及條件

3.2.3 化學氣相沉積方法製備碳納米管機理研究

3.2.4 化學氣相沉積方法製備多壁碳納米管的研究進展

3.2.5 化學氣相沉積方法製備單壁碳納米管的研究進展

3.3 化學氣相沉積方法製備納米線

3.3.1 化學氣相沉積方法在納米線研究中的套用

3.3.2 化學氣相沉積方法在氧化鋅納米線研究中的套用

3.3.3 氧化鋅納米線的生長機理

3.3.4 氧化鋅納米線的性能及套用

3.4 物理氣相沉積方法在納米器件研究中的套用

參考文獻

第4章 自組裝方法和技術

4.1 自組裝的驅動力——非共價作用

4.1.1 靜電作用

4.1.2 范德華力

4.1.3 氫鍵

4.1.4 π-π堆積作用

4.1.5 疏水作用

4.2 分子和納米粒子的自組裝

4.2.1 兩親性組裝單元的自組裝

4.2.2 納米粒子的自組裝

4.2.3 手性超分子組裝

4.2.4 多尺度、多級次組裝

4.3 分子和納米粒子受限環境中的組裝

4.3.1 氣/液界面的自組裝

4.3.2 固/液界面的自組裝

4.3.3 圖案化組裝

4.4 結論與展望

參考文獻

第三篇 納米表征技術篇

第5章 掃描探針顯微技術

5.1 掃描隧道顯微鏡

5.1.1 工作原理

5.1.2 結構解析度

5.1.3 掃描隧道譜

5.2 原子力顯微鏡

5.2.1 工作原理

5.2.2 結構解析度

5.2.3 單分子力譜

5.3 靜電力顯微鏡

5.3.1 靜電力顯微鏡工作原理

5.3.2 靜電力顯微鏡的套用

5.4 磁力顯微鏡

5.4.1 磁力顯微鏡工作原理

5.4.2 磁力顯微鏡的套用

5.5 SPM操縱與加工

5.5.1 原子/分子操縱

5.5.2 加工和刻蝕

參考文獻

第6章 單分子和單粒子檢測技術

6.1 單分子研究方法

6.1.1 單分子的掃描隧道顯微研究

6.1.2 基於原子力顯微技術的單分子研究

6.1.3 平面電極隧道結技術

6.2 單個納米結構的電、磁、熱、光學性質測量

6.2.1 納米材料的電學性質

6.2.2 納米材料的磁學性質

6.2.3 納米材料的熱學性質

6.2.4 納米材料的光學性質

參考文獻

第7章 分子影像技術

7.1 分子影像學的基本原理與方法

7.1.1 分子影像學的概念、任務與特點

7.1.2 分子影像探針

7.1.3 分子影像信號放大技術

7.1.4 分子影像設備及其相關技術

7.2 超聲分子影像技術

7.2.1 超聲分子成像的基本原理

7.2.2 超聲分子影像設備

7.2.3 超聲分子影像造影劑

7.3 磁共振分子影像技術

7.3.1 磁共振分子成像的基本原理

7.3.2 磁共振分子影像設備

7.3.3 磁共振分子影像探針

7.4 核醫學分子影像技術

7.4.1 核醫學分子成像的基本原理

7.4.2 核醫學分子影像設備

7.4.3 核醫學分子影像探針

7.5 光學分子影像技術

7.5.1 光學分子成像的基本原理

7.5.2 光學分子影像設備

7.5.3 光學分子影像探針

7.6 多模式分子影像技術

7.6.1 多模式分子影像設備

7.6.2 多模式分子影像探針

7.7 基於分子影像的診斷與治療相結合的綜合技術

7.7.1 分子影像探針攜帶藥物

7.7.2 分子影像藥物治療評估

7.7.3 分子影像藥物篩選

7.8 小結

參考文獻

第8章 納米標準與計量

8.1 納米技術標準化

8.1.1 納米技術領域名詞術語的標準化

8.1.2 納米測量與表征標準化

8.1.3 納米環境、健康與安全

8.2 納米標準物質與標準樣品

8.2.1 納米尺度基本幾何量的標準物質

8.2.2 納米材料與性能標準物質/樣品

8.3 納米計量研究

8.3.1 納米幾何量標準物質特性量值的計量定值

8.3.2 納米計量儀器

8.3.3 其他納米計量

參考文獻

第四篇 納米加工與器件篇

第9章 傳統納米加工技術

9.1 聚焦電子束方法

9.1.1 聚焦電子束的產生和操控——電子光學

9.1.2 電子束與物質的相互作用

9.1.3 聚焦電子束在納米科技中的套用

9.2 聚焦離子束方法

9.2.1 離子與物質的相互作用

9.2.2 離子束聚焦的基本原理

9.2.3 聚焦離子束系統的基本結構

9.2.4 聚焦離子束系統的組成

9.2.5 聚焦離子束方法在納米科學研究中的套用

參考文獻

第10章 特色納米加工技術

10.1 微接觸印刷技術

10.1.1 微接觸印刷技術簡介

10.1.2 微接觸印刷技術的各種變體

10.1.3 微接觸印刷技術的套用

10.2 納米壓印技術

10.2.1 納米壓印技術的原理及分類

10.2.2 納米壓印技術的各個組成部分

10.2.3 納米壓印模式的發展

10.2.4 納米壓印技術的套用

10.3 浸蘸筆納米印刷技術

10.3.1 DPN技術的組成部分

10.3.2 DPN技術的發展

10.3.3 DPN技術的套用

參考文獻

第11章 多光子超衍射三維納米加工技術

11.1 多光子超衍射納米加工基本原理

11.1.1 多光子吸收過程的物理效應

11.1.2 多光子超衍射納米加工中的材料設計

11.2 多光子超衍射納米加工技術

11.2.1 多光子超衍射納米加工系統與方法

11.2.2 多光子加工解析度

11.2.3 多焦點並行加工技術

11.3 多光子超衍射納米加工技術的套用

11.3.1 微尺度光子學器件

11.3.2 微機械與微流控

11.3.3 功能材料的多光子微/納加工

11.4 多光子超衍射三維納米加工技術研究中所面臨的問題及發展方向

11.4.1 多光子超衍射三維納米加工物理機制與新原理髮現

11.4.2 多光子超衍射三維納米加工材料擴展與功能化

11.4.3 多光子超衍射三維納米加工技術的套用

11.4.4 微/納結構的大面積快速製備技術

參考文獻

第五篇 納米尺度的理論方法篇

第12章 納米結構的理論模擬方法

12.1 納米體系電子結構

12.2 理論建模——光學性質

12.2.1 金屬/介電材料光學性質簡介

12.2.2 半導體材料光學性質簡介

12.3 理論建模——輸運性質

12.3.1 穩態輸運理論

12.3.2 含時輸運：Tien-Gorden方法

12.4 數值模擬方法

12.4.1 打靶法

12.4.2 Hartree方法與Hartree-Fock方法

12.4.3 密度泛函理論

12.4.4 分子動力學

12.4.5 有限時域差分方法

12.5 小結

參考文獻

圖書文摘

第一篇緒論

第1章納米科技研究方法

20世紀微電子的誕生和發展對人類社會產生了巨大的影響，推動人類社會進入了資訊時代。微電子小型化的發展趨勢促使科技研究進入了納米範疇，興起了納米科技。21世紀納米科技研究出現了熱潮，其研究內容涉及科學與技術的各個領域，故有人稱為納米時代。納米科技研究的對象是介於人們所熟悉的由無窮多原子構成的巨觀體系和原子體系之間的有限個原子構成的體系。這個研究領域是此前人們不熟悉的，有很多新奇的結構和特性，因此這是科學發展的新領域。成為當前科學發展的重要內容，有豐富的理論和技術問題有待探索和開發，引起了學者和政治家的極大關注。21世紀以來，已開發國家政府和國際大公司紛紛制定納米研發計畫，投入了相當大的人力、財力，呈現強烈的科技競爭態勢。在這場科技競爭，也是未來經濟競爭中，各國都希望能夠捷足先登。在科技發展的新時代，大家都處於同一起跑線上，誰能成為領先者，掌握先進的科學方法顯得非常重要。本章將針對納米科技的具體內容和特點討論有關科學方法問題，希望會對高速發展的納米科技有所幫助。

1.1科學方法研究

人類的科學發展史表明，自然科學是從神學、哲學中脫穎而出，成為獨立的科學體系的。從歐幾里得的《幾何原本》提出歸納推論的科學方法，到以牛頓的《自然哲學的數學原理》為代表的經典物理學，自然科學的研究方法達到了成熟階段；至19世紀末20世紀初，現代物理學誕生，科學方法研究發展為成熟的科學體系——方法學。現今在教學、科學研究中，往往忽視了方法學的學習和訓練。隨著科學研究的深入，面對科技的複雜化趨勢，方法學的研究和學習越來越顯得重要。

1.1.1關於科學方法

科學方法是人們探索自然和社會規律、獲取知識的最有效的程式和途徑，是人們在認識和改造世界活動中，遵循和運用以科學為基礎的各種方法和手段的總稱。對客觀世界規律的理性認識是人類掌握的知識，這些知識經過綜合和系統化，為實驗、實踐檢驗證實是正確的，即是科學。在人類知識中還有很多是非科學的，如迷信、偽科學。科學與迷信的區分主要表現在：科學注重理性原則，迷信則崇尚信仰。重視理性原則還是崇尚信仰為區分科學與迷信的判據。在科學發展過程中，不時混進偽科學，其主要區別是科學注重實踐原則。判別科學與迷信、偽科學的另一條標準是實踐性。科學注重可重複性原則，可重複性是判別真偽科學的檢驗方式。科學注重邏輯完備性，強調因果關係和理性關聯推理規則，這也是科學方法的重要內容。對科學原理的表述、理解和研究過程中，有嚴謹的科學方法，它也是人類知識的重要內容。科學注重簡單性，簡單性原則也是判斷科學的真偽與優劣程度的標準。科學原理與科學方法是密切相關、相輔相成的，因此科學方法是人類認識自然世界和社會的重要手段，是遵從、改造自然和社會的重要工具，是人類知識寶庫中的重要內容之一。

科學理論的研究與發展伴隨著科學方法的研究與發展。科學基於正確的科學方法而發展，也是因為有了科學方法才成其為科學，它體現了科學的理性精神，構成了知識體系的基礎和框架。若研究者具有很高的科學方法素養，往往會最先獲得創新科技成果，成為科學研究的佼佼者。科研中難能可貴的創造性才華，由於方法拙劣可能被削弱，甚至被扼殺；而良好的方法則會增長、促進這種才華。科學方法引導著、規範著科學研究的進展，其自身也是科學和生產實踐的產物。在每一次科學革命過程中也包含著科學方法的變革與發展。先進的科學方法不僅促進某一學科的迅速發展，而且還能廣泛地影響其他自然科學和社會科學，為人類認識自然和社會提供新的步驟和程式。科學發展的初期，有關科學方法被看成哲學上的重要內容，稱為科學知識論或方法論，作為討論方法的理論是與人類對科學的探索同時誕生的。隨著科學的發展，出現了邏輯歸納法、推理法、統計法等。通常科學家多是在自己的學科領域討論各自表述客觀規律的方法，如人文社會學的“人類審美學”、“社會統計學”，物理學的“物理數學”，實驗科學的“實驗方法”，生物醫學的“生物統計學”、“臨床病理學”等。在眾多科學方法研究的基礎上，有人從哲學綜合的高度上，研究普適的科學方法，撰寫種種科學方法論專著。科學方法既是科學認識中表述客體、規律和獲取知識的工具，也是科技合理性的評價標準。而科學的發展與科學方法的改進是密不可分、融為一體的。當科學發展進入一個新變革時期，相應的創新科學方法也是人們研究的重要內容。在納米科技發展的初期，有意識地探索相應的創新科學方法，將具有重要意義。

1.1.2科學方法的分類

科學方法種類繁多，既包括源於哲學抽象思維的適合各個學科的普適方法，也包括學科各自的特殊方法。從總體上，科學方法可分為三大類：經驗方法（包括觀察、測量、實驗方法等）、理性方法（包括邏輯、數學、統計方法等）和臻美方法（包括直覺、對稱、類比方法等）。再具體一些可按科學事實的蒐集和加工分為獲取信息的方法和信息處理的方法。按理論認識和經驗認識分為理性方法和感性方法。觀察和實驗是近代科學實證精神的體現，是人們獲取關於客體的自然信息並對之加以研究的基本形式，是科學認知的基礎。科學活動是理性思維探索客觀規律，再由實驗或實踐去驗證其正確性的過程。有時是用理性方法去整理感性材料，經過歸納、分析，描述規律，說明結論。觀察和實驗是科學認識最初始、最基本的一種形式，更是人們有目的、有意識地對理性歸納、演繹的結論進行檢驗的活動。在生產、生活中，人們需要對事物和現象進行感知和描述，必須運用語言和思維方法。隨著科學實踐的發展，人們的觀察方式和能力也在不斷提高，經歷了從古代的感官觀察到17世紀初望遠鏡和顯微鏡等工具儀器的使用，從自然條件下的觀察到人工條件下的實驗測量，從手工操作的儀器觀察到計算機自動化操作、效率更高的數據採集、分析處理和判斷等越來越複雜的觀察。科學觀察的基本原則，是堅持觀察的客觀性和全面性，應力求全面系統地觀察對象，注意搜尋細節，排除觀察者個人生理特徵的影響和心理預期、先入之見的干擾，使觀察或實驗具備可重複性，以保證所獲經驗材料的確實可靠。科學觀察的成功之道是要以理論思維為指導，善於捕捉意外的現象。觀察儘管是一種通過感官進行的感性認識，但從目的的確定，手段的改進，到對象和環境的選擇，其中的每一步都依賴於理性思維。而對於觀察現象的認識和理解，更是與觀察者的知識儲備、理論修養和科學方法的掌握分不開的。科學史上屢屢出現觀察者已觀察到新的現象，卻由於缺乏必要的背景知識不能正確解釋，或者科學方法不夠正確，而與重大的科學發現失之交臂的事例。即使是按一定理論預期進行的實驗，也要注意捕捉實驗目的之外出現的意外現象，因為這些偶然性事件常常會成為新的科學發現的起點。例如，義大利動物學家加爾瓦尼（L?Galvani）在青蛙解剖實驗中意外發現“動物電”現象;丹麥物理學家厄斯泰茲（H?C??rsted）在一次電磁講座快結束時，極為偶然地通過變動電流導線下的磁針方向改變，而發現電流的磁效應，促成了電磁學的發展。這一類觀察被稱為機遇觀察，微生物學的奠基人巴斯德(L?Pasteur)有句名言：“在觀察的領域裡，機遇只偏愛那種有準備的頭腦。”

科學方法是多元的，它既包括較為有序的經驗方法和理性方法，也包括不很有序或很不有序的臻美方法，它甚至對無序的猜測、想像、靈感、幻想等創造性的心理活動亦持寬容或歡迎態度，尤其是在作假設時。記得在海南召開的一次關於材料計算的“973”項目學術討論會議上，在原子勢計算理論方面頗有建樹的陳難先院士講到原子密堆固體結構的有序與無序問題時，即興作出“有序歌”曲牌九七三：“說不清世上無窮有序，道不白人間多少無序，有序無序全看有趣沒有趣。說有序一看就像有序，不是有序也自有序，其實有序必然伴無序，無序又咋能離開有序？無序鬧有序，愈鬧愈有趣。天涯海角，南國風光，何必有序無序。海闊天空，波飛雲舞，有序怎比無慮!”（2004年12月5日題）道出了有序與無序間的辯證關係，也表明科學家的情懷。科學方法是創新的，偉大的科學發現都沒有固定的程式和現成的方法可循，科學研究的進展伴隨著新的科學方法的創建。納米科技的興起，帶給人們更多的新機遇，也必將伴隨科學方法的新進展，此時開展創新方法研究具有重要的意義。

還不知道。宇宙鐘的音調揭示了宇宙的年齡和它膨脹的速度，其年齡為137億年，膨脹速度為71光年/秒，形狀是一個扁平片。從真空科學角度看，宇宙的絕大部分為由暗能量和暗物質填充的空間。

圖1?3黑暗的宇宙

(a) WMAP及其探測的宇宙; (b) 超新星爆炸後的圖像; (c) 越來越暗的宇宙變化圖像

關於“雙暗”的問題，可以通過量子力學的兩個重要發展方向來考慮物理學面臨的新的統一理論問題。這兩個方向之一是將量子力學套用到更小（如原子以下）的尺度。原子的中心是原子核，原子核又是由中子、質子構成的，因此進一步就是把量子力學用到原子核。原子核有各式各樣的衰變，還可以人工蛻變，原子核物理學就是在量子力學的指引下發展起來的。再進一步，就是基本粒子物理學，即物質的基本構成單元是最微小的輕子、夸克、膠子和其他粒子。量子力學的另一個發展方向，就是把量子力學用於處理更大尺度上的問題，比如分子的問題（即量子化學問題）和固體物理或凝聚態物理的問題。從研究對象的尺度看，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理和宇宙物理，其研究範圍越來越大。但宇宙的研究又和基本粒子的研究聯繫起來了，兩個不同的發展方向，迴環曲折，最後又歸攏到了一起。這樣，現代物理學的研究領域十分寬廣，從最微小的基本粒子一直延伸到浩瀚的宇宙。顯而易見，在極小和極大這兩個極端處存在大片尚待開發的處女地，有極豐富的科學問題，孕育著科學發展的機遇。在物質結構的眾多層次中，隨著複雜性的增加，還會湧現無窮無盡的問題，向物理學家提出新的挑戰。例如玻色?愛因斯坦凝聚、超流、超導電性等，這些問題不僅在基礎理論上有重要意義，也可能引發技術上的重大變革。進入21世紀後，物理學仍有極其光明的前景。在20世紀人類科技發展輝煌的一百年的基礎上，新一代電子學的誕生，將給人類帶來驚人的變革，促進社會進入智慧型資訊時代，所以21世紀，人類面臨著科學發展的新時代。