[正版]中国制造2025出版工程 新型纳米材料与器件 纳米材料与纳米技术概述 纳米材料的合成与表征 纳米信息材料纳米能源

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《新型纳米材料与器件》紧密结合当前行业发展和新领域的前沿技术，在介绍纳米材料基本概念和特征的基础上，重点介绍了纳米信息材料、纳米能源材料、纳米生物材料及纳米器件在各领域的应用技术，此外，还详细说明了纳米加工技术与纳米器件制备、光电纳米器件、生物纳米器件、能源纳米器件，以及纳米器件在智能生活、清洁生活、健康生活中的各种应用。既贴近生活，又反映了纳米高科技领域的技术前沿，帮助读者全面了解纳米材料与器件的各项应用技术。

全书特点：
1 内容突出“新”：介绍当今新材料领域的高新技术专题；
2 强调“先进性”， 兼顾“应用性”：介绍纳米材料领域的新技术、新理论和新方法，不仅经实践证明是成熟的、可靠的，而且是有应用前景的实用新技术。以期传播先进技术和知识，推动我国新材料产业的全面发展。

纳米材料与器件既是高科技领域的前沿技术, 又与人们的生活息息相关。本书在介绍纳米材料基本概念和特征的基础上, 重点介绍了纳米信息材料、纳米能源材料、纳米生物医用材料、纳米气敏材料及纳米器件在各领域的应用; 此外, 还详细说明了纳米加工技术与纳米器件制备, 以及纳米器件在智能生活、清洁生活、健康生活中的各种应用。全书内容既贴近生活, 又反映了纳米高科技领域的技术前沿, 帮助读者全面了解纳米材料与器件的各项应用技术。
本书可供纳米材料、新材料领域的研发人员、技术人员阅读, 也可供相关专业的院校师生参考。

王荣明，北京科技大学教授，数理学院院长。1991年和1994年毕业于北京大学物理学系，获学士和硕士学位，1997年在北京航空材料研究院获博士学位后留院工作，2002年3月起任北京大学物理学院副教授，2005年10月任北京航空航天大学教授、博士生导师，2014年起任北京科技大学教授，博士生导师。
长期从事航空航天材料、纳米材料等先进材料的微结构与性能的相互关系研究，近年来主要从事磁性纳米材料的可控合成、微结构和特性研究。
承担国家自然科学基金、高等学校博士点基金、国防科技预研基金、国家科技支撑计划重大课题、973、863等20多项科研课题的研究工作。
在Phys. Rev. Lett.、Nano Lett .、Adv. Mater.、J. Mater. Chem.、Appl. Phys. Lett.、Nanoscale、J. Phys. Chem.、New J. Phys等刊物发表SCI论文100余篇，EI论文近百篇，被SCI论文他引2500多次，论文引用H因子为29；合著2部，申请国家发明专利8项。
曾获教育部自然科学一等奖、航空科学技术奖二等奖、国防科学技术奖三等奖等科技奖励6项。

第1章 纳米材料与纳米技术概述 1
1.1 纳米材料与纳米技术 1
1.1.1 纳米材料的定义 2
1.1.2 纳米材料的发展史 4
1.1.3 纳米技术的定义 6
1.1.4 纳米技术的发展历程 7
1.2 常见的纳米材料、纳米技术 8
1.2.1 典型结构纳米材料 8
1.2.2 不同功能纳米材料 11
1.2.3 典型纳米技术 13
1.3 纳米材料的特殊效应 15
1.3.1 量子尺寸效应 15
1.3.2 小尺寸效应 17
1.3.3 表面效应 17
1.3.4 宏观量子隧道效应 18
参考文献 19

第2章 纳米材料的合成与表征 21
2.1 纳米材料的常见合成方法 21
2.1.1 “自上而下”与“自下而上” 21
2.1.2 机械加工法 22
2.1.3 气相法 25
2.1.4 液相法 34
2.1.5 分子束外延法 49
2.1.6 纳米材料的表面修饰 50
2.1.7 自组装法 53
2.2 纳米材料的常见表征方法 58
2.2.1 X射线衍射分析 58
2.2.2 扫描电子显微分析 59
2.2.3 透射电子显微分析 62
2.2.4 扫描探针显微分析 66
2.2.5 拉曼光谱分析 67
2.2.6 电子能量损失谱分析 69
2.2.7 原子力显微分析 70
2.2.8 激光粒度分析 73
参考文献 75

第3章 纳米信息材料 77
3.1 半导体纳米材料 77
3.1.1 半导体纳米材料简介 77
3.1.2 半导体纳米材料的特性 78
3.1.3 常见的半导体纳米材料 80
3.1.4 半导体纳米材料的应用 84
3.2 纳米光电转换材料 85
3.2.1 光电转换特性 85
3.2.2 纳米结构与光吸收 87
3.2.3 纳米结构与电子传输 89
3.2.4 常见的纳米光电转换材料 89
3.2.5 纳米光电转换材料的应用 96
3.3 纳米信息存储材料 100
3.3.1 高密度电信息存储 100
3.3.2 高密度光信息存储 101
3.3.3 多功能存储 103
3.3.4 纳米材料与光电高密度信息存储 103
3.4 有机光电纳米材料 106
3.4.1 有机光电纳米材料简介 106
3.4.2 有机光电纳米材料的优势 107
3.4.3 有机光电纳米材料的应用 107
3.5 新型纳米材料 108
3.5.1 碳基纳米材料 108
3.5.2 量子点材料 113
3.5.3 新型二维纳米材料 117
参考文献 127

第4章 纳米能源材料 132
4.1 纳米材料在能源领域的应用与优势 132
4.2 氢能源纳米材料 132
4.2.1 活性炭储氢材料 133
4.2.2 合金储氢材料 134
4.2.3 配位氢化物储氢材料 135
4.2.4 有机液体氢化物储氢材料 136
4.3 电化学能源纳米材料 136
4.3.1 锂离子电池材料 137
4.3.2 超级电容器材料 138
4.4 太阳能电池纳米材料 140
4.4.1 纳米减反射薄膜 141
4.4.2 纳米硅薄膜太阳能电池材料 142
参考文献 143

第5章 纳米能源器件 144
5.1 纳米能源器件概述 144
5.2 纳米发电机 146
5.2.1 纳米发电机简介 146
5.2.2 压电纳米发电机 147
5.2.3 摩擦纳米发电机 160
5.3 纳米储能器件 172
5.3.1 纳米储能器件简介 172
5.3.2 纳米材料电池 173
5.3.3 超级电容器 175
5.4 纳米能源器件集成与应用 177
5.4.1 纳米能源储存与管理系统 177
5.4.2 摩擦纳米发电机在自驱动系统中的应用 178
5.4.3 摩擦纳米发电机与蓝色能源 181
参考文献 185

第6章 纳米生物医用材料 187
6.1 生物医用材料概述 187
6.2 生物医用材料的分类与应用 187
6.3 纳米生物医用材料的分类与应用 188
6.3.1 纳米生物医用材料的分类 188
6.3.2 纳米生物医用材料的应用 188
6.4 纳米生物医用材料的发展趋势 193
参考文献 194

第7章 纳米加工技术与纳米器件制备 196
7.1 纳米加工技术 196
7.1.1 光刻技术 196
7.1.2 直写技术 199
7.1.3 纳米压印技术 202
7.1.4 喷墨打印技术 205
7.1.5 聚焦离子束加工技术 208
7.2 纳米器件制备工艺 212
7.2.1 磁控溅射 212
7.2.2 真空蒸镀 215
7.2.3 微纳刻蚀 219
7.2.4 脉冲激光沉积 224
7.2.5 自组装纳米材料加工 227
7.3 纳米材料在器件制备领域的优势 231
7.3.1 摩尔定律与器件集成 232
7.3.2 量子效应与新型器件 236
7.3.3 表面效应与传感器 241
7.3.4 纳米器件生物兼容性 243
参考文献 247

第8章 纳米气敏材料与纳米气敏传感器 253
8.1 纳米气敏传感器的分类 253
8.2 纳米气敏材料 254
8.2.1 金属氧化物 254
8.2.2 石墨烯 273
8.2.3 有机高分子 279
8.2.4 贵金属 283
8.2.5 新型二维材料 287
8.2.6 纳米气敏传感器的应用 291
参考文献 297

第9章 纳米器件与智慧生活 305
9.1 智慧生活 305
9.1.1 纳米器件与物联网系统 305
9.1.2 纳米器件与机器人 309
9.2 清洁生活 314
9.2.1 纳米自清洁材料简介 314
9.2.2 自清洁原理 315
9.2.3 提高自清洁活性 316
9.2.4 纳米自清洁材料的应用 317
9.2.5 纳米自清洁材料的制备方法 318
9.3 健康生活 319
9.3.1 纳米器件与精准医疗 319
9.3.2 纳米器件与电子皮肤 323
参考文献 328

索引 332

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。近十年来，我国制造业持续快速发展，综合实力不断增强，国际地位得到大幅提升，已成为世界制造业规模最大的国家。但我国仍处于工业化进程中，大而不强的问题突出，与先进国家相比还有较大差距。为解决制造业大而不强、自主创新能力弱、关键核心技术与高端装备对外依存度高等制约我国发展的问题，国务院于2015年5月8日发布了“中国制造2025”国家规划。随后，工信部发布了“中国制造2025”规划，提出了我国制造业“三步走”的强国发展战略及2025 年的奋斗目标、指导方针和战略路线，制定了九大战略任务、十大重点发展领域。2016年8月19日，工信部、国家发展改革委、科技部、财政部四部委联合发布了“中国制造2025”制造业创新中心、工业强基、绿色制造、智能制造和高端装备创新五大工程实施指南。
为了响应党中央、国务院做出的建设制造强国的重大战略部署，各地政府、企业、科研部门都在进行积极的探索和部署。加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，推动我国制造模式从“中国制造”向“中国智造”转变，加快实现我国制造业由大变强，正成为我们新的历史使命。当前，信息革命进程持续快速演进，物联网、云计算、大数据、人工智能等技术广泛渗透于经济社会各个领域，信息经济繁荣程度成为国家实力的重要标志。增材制造（3D打印）、机器人与智能制造、控制和信息技术、人工智能等领域技术不断取得重大突破，推动传统工业体系分化变革，并将重塑制造业国际分工格局。制造技术与互联网等信息技术融合发展，成为新一轮科技革命和产业变革的重大趋势和主要特征。在这种中国制造业大发展、大变革背景之下，化学工业出版社主动顺应技术和产业发展趋势，组织出版《“中国制造2025”出版工程》丛书可谓勇于引领、恰逢其时。
《“中国制造2025”出版工程》丛书是紧紧围绕国务院发布的实施制造强国战略的第一个十年的行动纲领——“中国制造2025”的一套高水平、原创性强的学术专著。丛书立足智能制造及装备、控制及信息技术两大领域，涵盖了物联网、大数据、3D打印、机器人、智能装备、工业网络安全、知识自动化、人工智能等一系列的核心技术。丛书的选题策划紧密结合“中国制造2025”规划及11个配套实施指南、行动计划或专项规划，每个分册针对各个领域的一些核心技术组织内容，集中体现了国内制造业领域的技术发展成果，旨在加强先进技术的研发、推广和应用，为“中国制造2025”行动纲领的落地生根提供了有针对性的方向引导和系统性的技术参考。
这套书集中体现以下几大特点：
首先，丛书内容都力求原创，以网络化、智能化技术为核心，汇集了许多前沿科技，反映了国内外最新的一些技术成果，尤其使国内的相关原创性科技成果得到了体现。这些图书中，包含了获得国家与省部级诸多科技奖励的许多新技术，因此，图书的出版对新技术的推广应用很有帮助！ 这些内容不仅为技术人员解决实际问题，也为研究提供新方向、拓展新思路。
其次，丛书各分册在介绍相应专业领域的新技术、新理论和新方法的同时，优先介绍有应用前景的新技术及其推广应用的范例，以促进优秀科研成果向产业的转化。
丛书由我国控制工程专家孙优贤院士牵头并担任编委会主任，吴澄、王天然、郑南宁等多位院士参与策划组织工作，众多长江学者、杰青、优青等中青年学者参与具体的编写工作，具有较高的学术水平与编写质量。
相信本套丛书的出版对推动“中国制造2025”国家重要战略规划的实施具有积极的意义，可以有效促进我国智能制造技术的研发和创新，推动装备制造业的技术转型和升级，提高产品的设计能力和技术水平，从而多角度地提升中国制造业的核心竞争力。

中国工程院院士