本书所讨论的纳米结构，是由纳米尺度(0.1～100nm)的构造单元所构成的材料和器件。它们具有与通常的宏观物质不同的奇异性质，并可以通过对纳米构造单元的基于物理、化学和生物过程的可控组装来设计与合成。本书包括以下五个方面：①纳米科学技术概览；②以原子团簇作为切入点对纳米效应进行基本的阐述；③纳米结构材料的制备、组装与加工；④基于扫描探针显微术的纳米结构表征；⑤纳米结构的电学、磁学与光学特性；⑥一种典型的纳米结构材料：碳基纳米结构的介绍。本书内容涵盖了从原子团簇到纳米结构薄膜的基本性质；从纳米结构的自组装到纳米加工和纳米结构表征方法；从原子所主导的表面效应到量子过程所主导的限制效应；特定纳米结构的应用和研究进展。
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前言
第1章 引言 1
1.1 纳米科技：一场可能的新产业革命 1
1.2 纳米的概念 3
1.3 纳米尺度材料的新特性 5
1.4 纳米科学与技术 10
1.5 纳米科技的历史 12
参考文献 19
第2章 团簇物理 20
2.1 原子团簇的概念 21
2.2 团簇的表体比 24
2.3 团簇的稳定结构和幻数 26
2.4 团簇的光吸收和光电子谱 34
2.5 团簇的热力学与“相变” 42
2.6 纳米粒子 49
参考文献 51
第3章 纳米结构制备:“由底向上”的途径 52
3.1 获得纳米结构的两类途径 52
3.2 纳米粒子的气相制备 53
3.3 纳米粒子的尺寸分布及尺寸选择 62
3.4 纳米粒子的化学合成 66
3.4.1 溶液反应法制备纳米粒子 67
3.4.2 喷雾法制备纳米粒子 73
3.5 纳米粒子的团聚与分散 76
参考文献 82
第4章 低维纳米结构及其制备与组装 84
4.1 低维纳米结构 84
4.2 一维纳米结构 86
4.3 一维纳米结构制备 88
4.3.1 一维纳米结构的气相制备 89
4.3.2 一维纳米结构的液相制备 89
4.3.3 其他一维纳米结构的制备方法 92
4.4 一维纳米结构生长机制 93
4.5 二维纳米结构 97
4.6 二维纳米结构的自组装 100
4.6.1 自组装单层膜 101
4.6.2 纳米粒子自发有序 104
4.6.3 嵌段共聚物自组装 105
4.6.4 Stranski-Krastanov 生长法 107
4.6.5 模板引导的自组装 111
4.7 纳米固体 114
参考文献 115
第5章 微纳米加工 117
5.1 半导体器件特征尺寸的缩小 117
5.2 光学曝光的基本工艺流程 118
5.3 光学曝光的分辨率极限 121
5.4 极端紫外光学曝光与X 射线光学曝光 124
5.5 电子束曝光 125
5.6 聚焦离子束加工 128
5.7 图形转移技术 130
5.8 分辨率增强技术 133
参考文献 136
第6章 扫描探针显微术 137
6.1 材料显微分析技术及其分辨率极限 137
6.2 扫描探针显微镜的特点 139
6.3 扫描隧道显微镜的原理 141
6.4 扫描隧道显微镜的构造 144
6.5 扫描隧道显微镜的工作模式 147
6.6 扫描隧道显微镜达到原子分辨的途径 148
6.7 原子力显微镜的原理 149
6.8 原子力显微镜的构造 150
6.9 原子力显微镜的工作模式与成像模式 152
6.10 原子力显微镜探针 154
6.11 扫描探针显微镜家族 156
6.12 基于扫描探针显微镜的纳米加工 158
参考文献 160
第7章 纳米结构的电子性质 161
7.1 固体能带的起源 161
7.1.1 金属自由电子理论 161
7.1.2 能带的形成 163
7.2 金属纳米粒子的量子尺寸效应：Kubo 理论 165
7.2.1 尺寸减小导致电子能级的明显分立 165
7.2.2 量子体系电子能级的统计学和热力学 167
7.3 量子限制效应 170
7.3.1 不同维度材料的电子结构特征 170
7.3.2 量子点的量子限制效应 172
7.4 特征长度和相干长度 174
7.4.1 输运性质的经典理论 174
7.4.2 与电子输运相关的特征长度 176
7.5 弹道输运 178
7.6 Landauer-Büttiker 公式 180
7.7 量子干涉 184
7.8 库仑阻塞与单电子学 187
7.8.1 库仑阻塞与单电子学的基本概念 187
7.8.2 单电子隧道结 188
7.8.3 电流偏置隧道结：库仑振荡 189
7.8.4 观察到库仑阻塞和库仑振荡的条件 191
7.8.5 电压偏置的串联单电子隧道结：库仑台阶 192
参考文献 194
第8章 纳米结构的磁性 195
8.1 物质的磁性 196
8.2 团簇的磁矩 197
8.3 单畴极限 200
8.4 各向异性 201
8.5 超顺磁性 202
8.6 交换作用 204
8.7 巨磁电阻 205
参考文献 209
第9章 纳米结构的光学性质 211
9.1 材料的光学性质 211
9.1.1 固体的基本光学参数 211
9.1.2 固体的光吸收 213
9.1.3 固体发光 215
9.2 半导体量子点的光学性质 216
9.2.1 半导体量子点的能带结构 217
9.2.2 半导体纳米结构的光吸收 218
9.2.3 半导体量子点的发光 221
9.2.4 Ⅳ族半导体纳米结构 223
9.3 金属表面等离激元 224
9.3.1 等离激元的基本概念 224
9.3.2 Drude 模型 225
9.3.3 介质金属界面的表面等离激元 226
9.4 局域表面等离激元 229
9.4.1 金属纳米粒子的表面等离激元共振 229
9.4.2 表面等离激元共振的影响因素 232
9.5 耦合表面等离激元 237
9.6 近场 238
9.7 近场光学显微 241
9.8 局域场增强效应 243
9.9 表面增强拉曼光谱 246
9.9.1 表面增强拉曼散射的机理 246
9.9.2 SERS 增强因子 249
9.9.3 针尖增强拉曼光谱 249
9.10 等离激元增强发光 251
9.10.1 表面等离激元与荧光分子的作用 252
9.10.2 金属纳米结构表面等离激元对半导体发光的作用 253
9.11 非线性光学增强 254
参考文献 256
第10章 富勒烯与碳纳米管 260
10.1 共价键理论 260
10.2 碳的同素异构体 263
10.3 富勒烯 265
10.4 碳纳米管的制备 269
10.5 碳纳米管的结构 271
10.6 异型单壁碳纳米管 276
10.7 碳纳米管的电学性质 278
10.7.1 单壁碳纳米管的电子能带结构 278
10.7.2 单壁碳纳米管的电学性质 280
10.8 碳纳米管的力学性质 281
10.9 碳纳米管的热学性质 283
参考文献 284
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