本书是一部内容丰富、易读易用的纳米传感器论著。首先介绍纳米传
感器的分类和基础术语，然后概述纳米传感器加工中所运用的重要纳米材
料和纳米技术的性能与特性以及纳米传感器实验室，并按照传感器类型系
统地介绍纳米机械传感器、热纳米传感器、光学纳米传感器、磁纳米传感器、
纳米生物传感器、化学纳米传感器的原理及如何利用物理、化学、生物等不
同方法对检测量进行探测，为广大科研工作者提供全面的参考资料。
样章试读
目录
- 《纳米科学与技术》丛书序
作者简介
前言
致谢
主译简介
译者的话
第1章纳米传感器概论1
1.1纳米传感器入门1
1.2自然科学1
1.3物理学1
1.3.1物理学的定义1
1.3.2物理学的分支2
1.3.3物质的状态？材料及粒子2
1.3.4分子？原子以及原子结构2
1.3.5力学3
1.3.6热学5
1.3.7声学5
1.3.8光学5
1.3.9电学6
1.3.10磁学6
1.3.11电磁学7
1.3.12国际单位制7
1.4化学8
1.4.1化学的定义8
1.4.2元素和化合物8
1.4.3有机化合物和无机化合物8
1.4.4化学的分类8
1.4.5自然元素和人造元素8
1.4.6金属？非金属和准金属9
1.4.7元素周期表9
1.4.8化学变化与化学反应9
1.4.9元素的电子结构10
1.4.10化学键10
1.4.11氧化和还原10
1.4.12酸？碱？盐10
1.4.13溶液和气体的浓度表达11
1.4.14烃类:饱和的与不饱和的11
1.4.15烷基和芳基11
1.4.16醇和酚12
1.4.17羧酸12
1.4.18醛和酮12
1.4.19胺和氨基酸12
1.4.20脂12
1.4.21糖类12
1.4.22蛋白质和酶13
1.5生物学13
1.5.1生物学是什么13
1.5.2生物学的分支13
1.5.3生命的起源和进化13
1.5.4细胞13
1.5.5细菌和病毒的区别14
1.5.6遗传？染色体？基因以及相关术语15
1.6半导体电子学15
1.6.1什么是半导体电子学15
1.6.2导体？半导体和绝缘体中的能带15
1.6.3半导体的特性16
1.6.4P-N结17
1.6.5双极面结型晶体管18
1.6.6金属-氧化物-半导体场效应晶体管19
1.6.7模拟电路和数字电路20
1.7纳米及其量级衡量20
1.8纳米科学和纳米技术21
1.9纳米材料及其在纳米尺度下的特性22
1.10传感器和换能器:“传感器”和“换能器”术语的含义24
1.11传感器参数和特性的定义25
1.12半导体微传感器的发展历程26
1.13传感器微型化发展历程及纳米尺寸测量的必要性26
1.13.1微型传感器的优势27
1.13.2功耗问题28
1.13.3低响应时间28
1.13.4多目标检测与多功能性28
1.13.5灵敏度考量和功能化需求29
1.13.6生物分子接口技术29
1.13.7低成本30
1.13.8纳米传感器的潜在应用30
1.14纳米传感器的定义与分类30
1.15物理？化学和生物纳米传感器32
1.16纳米传感器实例33
1.16.1常见的纳米传感器33
1.16.2基于碳纳米管的纳米传感器34
1.16.3纳米薄膜传感器34
1.16.4基于微悬臂和纳悬臂的纳米传感器34
1.17分析和表征工具:纳米材料和纳米传感器的显微技术34
1.17.1扫描电子显微镜35
1.17.2透射电子显微镜36
1.17.3扫描隧道显微镜36
1.17.4原子力显微镜37
1.18纳米材料和纳米传感器化学成分分析的光谱技术38
1.18.1红外光谱39
1.18.2紫外-可见光谱39
1.18.3拉曼光谱40
1.18.4X射线能量色散谱41
1.18.5俄歇电子能谱41
1.18.6X射线衍射41
1.18.7X射线光电子能谱或化学分析电子光谱41
1.18.8二次离子质谱42
1.19位移纳米传感器:STM42
1.19.1操作原理42
1.19.2透射系数44
1.19.3隧穿电流48
1.19.4STM测量50
1.20力学纳米传感器:AFM52
1.20.1工作原理52
1.20.2兰纳-琼斯势与范德华力53
1.20.3其他作用力以及电位56
1.20.4力学传感器(悬臂)以及力的测量56
1.20.5静态和动态原子力显微镜58
1.20.6接触式AFM工作模式的分类59
1.20.7频率调制原子力显微镜61
1.20.8通用计算62
1.21概述和本书的结构64
1.22讨论和总结64
习题65
参考文献65
第2章纳米传感器材料67
2.1导论67
2.2纳米颗粒及原子？分子与体材料之间过渡区的重要性67
2.3基于纳米颗粒组分及生成方法的分类68
2.4核/壳结构的纳米颗粒69
2.4.1无机核/壳结构粒子69
2.4.2有机-无机混合核/壳纳米颗粒70
2.5纳米尺度下特性的形状依赖性70
2.6纳米颗粒特性的尺寸依赖性71
2.7固体的表面能72
2.8金属纳米颗粒与等离子激元72
2.8.1体金属的表面等离子共振74
2.8.2金属纳米颗粒的表面等离子带效应77
2.9体金属与金属纳米颗粒的光学特性78
2.9.1体金属及纳米颗粒的光吸收78
2.9.2纳米颗粒的光散射82
2.10纳米颗粒表面等离子带位置的参数控制82
2.10.1周围电介质的影响82
2.10.2防止团聚效应的配体或稳定剂的影响83
2.10.3纳米颗粒形状和尺寸的影响84
2.10.4成分的影响84
2.11量子限制84
2.11.1金属中的量子限制84
2.11.2半导体中的量子限制85
2.11.3带隙能量87
2.11.4电子的一维势箱粒子模型对带隙的解释87
2.12量子点92
2.12.1基本原理92
2.12.2紧束缚法获得光学带隙(激子能量)与量子点尺寸的关系93
2.12.3量子点与有机荧光团的比较96
2.12.4基于组成成分的量子点类型98
2.12.5基于结构的量子点分类98
2.12.6量子点表面的包覆分子或配体99
2.13碳纳米管100
2.13.1什么是碳纳米管100
2.13.2石墨烯结构101
2.13.3单壁碳纳米管结构102
2.13.4碳纳米管的机械性能104
2.13.5碳纳米管的电学和磁学特性105
2.14无机纳米线106
2.15纳米多孔材料106
2.15.1纳米多孔硅106
2.15.2纳米多孔铝108
2.15.3纳米颗粒薄膜108
2.16讨论与总结108
习题108
参考文献109
第3章纳米传感器实验室113
3.1导论113
3.2纳米技术113
3.2.1金属纳米颗粒合成113
3.2.2半导体纳米颗粒的合成115
3.2.3半导体纳米晶体的合成:量子点116
3.2.4金属氧化物纳米颗粒的合成118
3.2.5碳纳米管的合成120
3.3微纳电子学126
3.3.1半导体洁净室126
3.3.2单晶硅生长和晶圆生产126
3.3.3分子束外延法127
3.3.4掩模板制作127
3.3.5热氧化128
3.3.6半导体的杂质扩散130
3.3.7离子注入133
3.3.8光刻134
3.3.9化学气相沉积139
3.3.10湿法刻蚀和常见的腐蚀剂141
3.3.11反应离子刻蚀141
3.3.12聚焦离子束刻蚀和沉积术142
3.3.13金属化142
3.3.14切割？引线键合和封装144
3.3.15IC尺度下降:特殊的技术和工艺144
3.4MEMS和NEMS148
3.4.1表面微加工和体微加工148
3.4.2湿法与干法刻蚀技术149
3.4.3深反应离子刻蚀151
3.4.4前后面掩模对准152
3.4.5多圆片键合和玻璃-硅键合152
3.4.6晶圆研磨153
3.4.7化学机械抛光154
3.4.8电镀154
3.4.9LIGA工艺154
3.4.10微注射模型155
3.4.11热模压和电铸156
3.4.12MEMS/NEMS和CMOS工艺的结合157
3.5生物化学157
3.5.1纳米材料的表面功能化和生物功能化157
3.5.2生物元素的固定化158
3.5.3传感器-抗体吸附协议161
3.5.4生物应用中碳纳米管的功能化162
3.5.5量子点的水溶性162
3.5.6弱细胞毒性涂料163
3.6化学163
3.6.1纳米颗粒薄膜沉积164
3.6.2纳米气体传感器中的高分子聚合物涂层164
3.6.3硅纳米线的金属纳米颗粒功能化在气体传感中的应用164
3.7纳米传感器的表征165
3.8纳米传感器功率？信号处理和通信165
3.8.1动力设备165
3.8.2信号处理单元167
3.8.3集成纳米传感器系统167
3.8.4无线纳米传感器网络167
3.9讨论与结论168
习题168
参考文献169
第4章纳米机械传感器173
4.1导论173
4.2基于石英晶体微天平的纳克级质量检测173
4.3基于MEMS/NEMS谐振器的阿克(10-18g)和仄克(10-21g)级
质量检测176
4.3.1微悬臂梁的定义和理论177
4.3.2悬臂梁的能量耗散和品质因数Q191
4.3.3悬臂梁的噪声及其质量检测极限193
4.3.4双端固支梁谐振器和双端自由梁谐振器195
4.4电子隧道纳米位移传感器196
4.5基于库仑阻塞静电计的纳米位移传感器197
4.5.1库仑阻塞效应198
4.5.2静电计与电子隧道传感器的比较200
4.6单电子晶体管纳米位移传感器200
4.7磁动势纳米位移传感器202
4.8压阻？压电式纳米位移传感器203
4.9光学纳米位移传感器204
4.10基于两端固定的悬浮式碳纳米管谐振器的飞牛力传感器204
4.11用于位移和力测量的悬浮式碳纳米管机电传感器207
4.12基于碳纳米管膜的压力传感器210
4.13隧道效应加速度计211
4.13.1运动检测原理211
4.13.2构造和工作原理211
4.13.3微机械加速度计213
4.14NEMS加速度计215
4.15硅纳米线加速度计215
4.16应用于离子溶液的碳纳米管流量传感器217
4.17讨论与结论218
习题220
参考文献221
第5章热纳米传感器225
5.1导论225
5.2基于钨和铂纳米带的纳米热电偶226
5.3聚焦离子束化学气相沉积制备电阻热纳米传感器227
5.4“金刚石碳纳米线”电阻式纳米温度传感器227
5.5基于镍薄膜上碳纳米管的电阻低温(10~300犓)纳米传感器228
5.6微电极间横向生长的碳纳米管电阻式温度纳米传感器229
5.7硅纳米线温度纳米传感器:电阻和二极管结构231
5.8基于比率荧光纳米颗粒的温度传感器232
5.9基于荧光强度比例技术的Er3+/Yb3+共掺Gd2O3纳米荧光粉温度传感器235
5.10Yb3+-Er3+共掺杂氟化物纳米颗粒的光加热特性及通过发光现象进行长距离温度传感238
5.11基于含卟啉共聚物的热致变色纳米传感器239
5.12硅微机械热扫描探测仪240
5.13超导热电子纳米辐射热测量计242
5.14基于碳纳米管传感元件的热对流加速度计245
5.15单壁碳纳米管气流测量传感器245
5.16基于批量加工的碳纳米管壁真空压力和流速传感器246
5.17纳米隙皮拉尼真空规247
5.18基于碳纳米管-聚合物纳米复合材料的红外纳米传感器电导率响应249
5.19纳米量热学250
5.20讨论和总结254
习题256
参考文献257
第6章光学纳米传感器260
6.1导论260
6.2具有LSPR和紫外-可见光谱的贵金属纳米颗粒263
6.3基于表面增强拉曼散射的纳米传感器266
6.4胶体SPR色度金纳米颗粒分光光度传感器269
6.5光纤纳米传感器272
6.5.1基于光纤和SWCNT法布里-珀罗反射的光化学纳米传感器273
6.5.2光纤纳米谐振腔传感器275
6.5.3纳米光纤传感器的活细胞探测技术277
6.6基于纳米光栅的光加速度计278
6.7荧光pH纳米传感器280
6.7.1荧光染色分子标记的可再生纳米玻璃吸管280
6.7.2比例式纳米pH传感器281
6.7.3界面聚合法制备pH敏感型纳米颗粒微囊282
6.8光纤荧光纳米传感器在活细胞研究领域的不足284
6.9纳米级PERRLE传感器的细胞内环境探测技术284
6.10基于量子点的荧光标记物288
6.11基于荧光能量共振转移技术的量子点探针293
6.11.1QD-FRET蛋白质传感器296
6.11.2QD-FRET蛋白酶传感器296
6.11.3QD-FRET麦芽糖传感器297
6.11.4确定Rev与RRE之间分解常数(Kd)传感器299
6.12用于远程检测的电致化学发光纳米传感器300
6.13基于交叉氧化锌纳米棒的电阻式紫外纳米传感器302
6.14讨论和总结303
习题305
参考文献306
第7章磁纳米传感器310
7.1导论310
7.2磁电阻传感器311
7.2.1常磁电阻效应:霍尔效应311
7.2.2各向异性磁电阻效应311
7.2.3巨磁电阻效应312
7.3隧道磁电阻321
7.4巨磁电阻和隧道磁电阻传感器的局限性？优点和应用322
7.4.1局限性322
7.4.2优点323
7.4.3应用323
7.5研究分子间相互作用的磁性纳米探针324
7.5.1DNA分析330
7.5.2蛋白质检测330
7.5.3病毒检测331
7.5.4端粒酶活性分析332
7.6MRI特异性蛋白酶纳米传感器334
7.7磁性弛豫开关免疫传感器335
7.8磁性纳米传感器微阵列生物芯片337
7.8.1原理与动机337
7.8.2传感器的选择？设计因素？钝化和磁纳米标签338
7.8.3磁阵列运算340
7.8.4反应条件对传感器的影响343
7.8.5DNA和肿瘤标志物检测343
7.8.6巨磁电阻探测系统[灵敏度达到仄摩尔(10-21mol)]346
7.8.7基于微球阵列计数器的生物传感器347
7.9针式自旋阀巨磁电阻传感器在生物医学领域的应用348
7.10超导磁纳米传感器349
7.11隧道式磁场传感器349
7.12纳米线磁罗盘与位置传感器350
7.13讨论与总结351
习题352
参考文献353
第8章纳米生物传感器356
8.1导论356
8.2基于纳米颗粒的电化学生物传感器357
8.2.1一氧化氮电化学传感器360
8.2.2多巴胺？尿酸和抗坏血酸的测定361
8.2.3一氧化碳检测363
8.2.4葡萄糖检测363
8.2.5金纳米颗粒DNA生物传感器367
8.2.6过敏原-抗体反应监测372
8.2.7乙型肝炎免疫传感器372
8.2.8癌胚胎抗原检测372
8.2.9牛奶样品中大肠杆菌检测373
8.3基于碳纳米管的电化学生物传感器373
8.3.1多巴胺的氧化374
8.3.2过氧化氢酶的直接电化学或电催化375
8.3.3基于碳纳米管的电化学DNA生物传感器376
8.3.4葡萄糖生物传感器376
8.3.5胆固醇生物传感器379
8.3.6过氧化氢生物传感器380
8.4碳纳米管的功能化381
8.5基于量子点的电化学生物传感器381
8.5.1尿酸生物传感器381
8.5.2过氧化氢生物传感器382
8.5.3基于硫化镉纳米颗粒修饰电极的葡萄糖检测383
8.5.4量子点光触发的葡萄糖检测384
8.6基于纳米管和纳米线的平面场效应管纳米生物传感器385
8.6.1纳米管与纳米线385
8.6.2硅纳米线的功能化387
8.6.3DNA和蛋白质检测387
8.7基于悬臂梁的纳米生物传感器389
8.7.1微悬臂梁表面的生物功能化391
8.7.2生物传感的应用396
8.8光学纳米生物传感器398
8.8.1适配体398
8.8.2基于适配体修饰金纳米颗粒的色度腺苷纳米传感器399
8.8.3用于同步腺苷？钾离子和可卡因检测的适配体基多色荧光金纳米探针400
8.8.4基于适配体覆盖量子点的凝血酶纳米传感器402
8.8.5基于量子点的可卡因适配体纳米传感器403
8.9生物芯片(微阵列)404
8.10讨论和结论405
习题407
参考文献408
第9章化学纳米传感器413
9.1导论413
9.2基于纳米材料的气体传感器414
9.3基于金属纳米颗粒的气体传感器414
9.4金属氧化物气体传感器415
9.4.1金属氧化物的气敏机理419
9.4.2灵敏度控制参数与热处理影响421
9.4.3掺杂对传感器响应的影响425
9.5碳纳米管气体传感器426
9.5.1碳纳米管的气敏性能426
9.5.2单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的响应428
9.5.3碳纳米管改性428
9.5.4基于碳纳米管的场效应型传感器430
9.5.5MWCNT/SnO2氨气传感器430
9.5.6基于CNT的声学气传感器431
9.6多孔硅基气体传感器432
9.7有机聚合物薄膜基气体传感器433
9.8静电纺丝聚合物纳米纤维湿度传感器434
9.9纳米传感器阵列和纳米电子鼻434
9.10基于碳纳米管？纳米线和纳米带的化学纳米传感器436
9.10.1基于CNT的离子敏感场效应管型纳米pH传感器436
9.10.2NW型pH检测纳米传感器437
9.10.3ZnS/Si纳米管场效应管pH传感器439
9.10.4桥式纳米线蒸气传感器440
9.10.5钯功能化的SiNW氢气传感器441
9.10.6聚合物功能化的压电犉ET湿度纳米传感器442
9.11光化学纳米传感器443
9.11.1低电位量子点电化学发光金属离子传感器443
9.11.2RSA激活CdTTQDSb3+检测纳米传感器444
9.11.3功能化的CdST/ZnS QD Hg(Ⅱ)离子检测纳米传感器446
9.11.4硅藻气体传感器447
9.12讨论与总结448
习题449
参考文献450
第10章纳米传感器发展趋势454
10.1导论454
10.1.1纳米传感器的人机接口454
10.1.2三类主要纳米传感器454
10.1.3相同的纳米材料在不同类型纳米传感器中的响应特性455
10.1.4纳米传感器科学？工程和技术:三个相互关联的学科455
10.1.5本章范围455
10.2扫描隧道显微镜455
10.3原子力显微镜456
10.4纳米机械传感器456
10.5热纳米传感器460
10.6光学纳米传感器461
10.7磁纳米传感器463
10.8纳米生物传感器464
10.9化学纳米传感器466
10.10纳米传感器制造468
10.11体内纳米传感器的问题470
10.12用于生物传感器的分子印迹聚合物470
10.13纳米传感器接口问题:功耗和样品传送471
10.14耗尽-调制型压电驱动NEMS 472
10.15讨论和结论473
习题474
参考文献475
索引478
京公网安备 11010102004214号