施普林格 纳米技术手册 导读版 原书第2版2025|PDF|Epub|mobi|kindle电子书版本百度云盘下载

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绪论1

1 纳米技术介绍1

Bharat Bhushan1

1.1 纳米技术—定义和范例1

1.2 研究背景和科研投入4

1.3 向自然学习（仿生学）6

1.4 在不同领域的应用7

1.5 各种论题8

1.6 科研培训8

1.7 手册组织结构9

参考文献9

第一部分 纳米结构，微/纳米加工技术和材料9

2 纳米材料的合成与应用：分子元器件13

Francisco M. Raymo13

2.1 纳米结构材料的化学合成方法13

2.2 分子开关与逻辑门18

2.3 固态器件26

2.4 结论与展望38

参考文献39

3 碳纳米管介绍43

Marc Monthioux，Philippe Serp，Emmanuel Fahaut，Manitra Razafinimannana，ChristopheLaurent，Aiain Peigney，Wolgang Bacse，Jean-Marc Broto43

3.1 碳纳米管结构44

3.2 碳纳米管合成49

3.3 碳纳米管的生长机理65

3.4 碳纳米管特性69

3.5 以碳纳米管为基础的纳米器件74

3.6 碳纳米管的应用80

3.7 结语95

参考文献95

4 纳米线113

MlidredS.Dresselhaus，Yu-Ming Lin，Oded Rabin，Marcie R.Black，Jing Kong，Gene Mresselhaus113

4.1 合成115

4.2 纳米线的表征及其物理特性124

4.3 应用145

4.4 结语152

参考文献153

5 基于模板方法的纳米棒及纳米线阵列制备161

Huamei（Mary）Shang，Guo zhong Cao161

5.1 基于模板的方法162

5.2 电化学沉积163

5.3 电泳沉积167

5.4 模板填充172

5.5 反应模板转化174

5.6 总结和结语174

参考文献175

6 用聚焦离子束化学气相沉积进行三维纳米结构构建179

Shinji Matsui179

6.1 三维纳米结构构建180

6.2 纳米机电学183

6.3 纳米光学：来自于大闪蝶的启示190

6.4 纳米生物学191

6.5 总结194

参考文献195

7 微/纳米加工技术介绍197

Babak Ziaie，Antonio Baldi，Massood Z.Atashbar197

7.1 基础微加工技术197

7.2 微机电系统（MEMS）加工技术210

7.3 纳米加工技术222

7.4 总结和结论233

参考文献233

8 纳米压印光刻技术239

Helmut Schift，Anders Kristensen239

8.1 新兴的纳米图案化方法241

8.2 纳米压印过程244

8.3 纳米压印的工具和材料255

8.4 应用262

8.5 结论和展望268

参考文献270

9 冲压技术在微/纳米加工技术中的应用279

Elienne Menard，John A.Rogers279

9.1 高分辨率冲压280

9.2 微接触印刷282

9.3 纳米转印284

9.4 应用288

9.5 结论295

参考文献295

10 微/纳机电系统材料299

Christian A.Zorman，Mehran Mehregany299

10.1 硅299

10.2 锗材料306

10.3 金属307

10.4 恶劣环境半导体309

10.5 GaAs，InP和相关的III—V材料314

10.6 铁电材料316

10.7 聚合物材料317

10.8 未来趋势318

参考文献319

11 纳米体系机械分散设计机理的复杂性和突出性323

David Wendell，Dean Ho，Carlo D.Montemagno323

11.1 定义324

11.2 自然界中分散系统的例子和试验分析331

11.3 设计突现行为于纳米系统中：合成分散纳米结构的主要例子334

11.4 结论343

参考文献343

12 纳米尺度的热电材料345

Joseph P.Heremans345

12.1 热电学前景347

12.2 低维固体化合物的热电传输理论349

12.3 量子阱的二维热电传输359

12.4 量子线的一维热电传输360

12.5 准零维系统，含量子点固体材料366

12.6 结论370

参考文献370

13 宏观电子学中的纳米/微米结构半导体材料375

Yugang Sun，Seung-Hyun Hur，John A.Rogers375

13.1 半导体纳米材料的分类及其制备377

13.2 塑料基片上有序纳米结构薄膜的制备384

13.3 在宏观电子学中的应用389

13.4 展望395

参考文献395

第二部分 微机电系统/纳机电系统和生物微机电系统/纳机电系统401

14 下一代DNA杂交与自组装纳米加工器件401

Michael J.Heller，Benjamin Sullivan，Dietrich Dehlinger，Paul Swanson，Dalibor Hodko401

14.1 电子微阵列技术403

14.2 电场辅助的纳米加工过程409

14.3 结论411

参考文献411

15 MEMS/NEMS设备与应用415

Darrin J.Young，Christian A.Zorman，Mehran Mehregany415

15.1 微机电系统（MEMS）设备与应用417

15.2 纳机电系统（NEMS）436

15.3 目前的挑战和未来趋势439

参考文献440

16 纳米微悬臂阵列传感器443

Hans Peter Lang，Martin Hegner，Christoph Gerber443

16.1 技术443

16.2 微悬臂传感器445

16.3 操作模式446

16.4 微加工450

16.5 测量装置450

16.6 功能化技术453

16.7 应用455

16.8 结论和展望455

参考文献456

17 纳米治疗设备461

Stephen C.Lee，Mark Ruegsegger，Philip D.Barnes，Bryan R.Smith，Mauro Ferrari461

17.1 定义和探讨范围462

17.2 合成方法：“自上而下”与“自下而上”的纳米治疗设备元件的合成方法.467

17.3 技术上和生物学上的机遇470

17.4 纳米治疗设备的应用488

17.5 结语：应用中和发展前景中的障碍496

参考文献499

18 G蛋白偶联受体：表面展示和生物传感器技术505

Edward J.McMurchie，Wayne R.Leifert505

18.1 GPCR（G蛋白偶联受体）一蛋白活化循环507

18.2 GPCRs和G蛋白的制备509

18.3 GPCR信号的测量509

18.4 GPCR生物传感511

18.5 GPCR信号的蛋白质工程517

18.6 GPCRs在纳米技术中的前景520

参考文献520

19 微流控技术及其在芯片实验室中的应用523

Chong H.Ahn.Jin-Woo Choi523

19.1 微流控设备所用材料和微米/纳米预制技术524

19.2 活性微流控设备527

19.3 小型惰性微流控设备532

19.4 用于生化分析的芯片实验室540

参考文献545

20 基于离心机制的流控平台549

Jim Zoval.Guangyao Jia.Horacio Kido，Jitae Kim，Nahui Kim，Marc J.Madou549

20.1 为什么向心力产生流体推进550

20.2 光碟或微型离心流控技术552

20.3 CD的应用556

20.4 总结567

参考文献568

21 在微流控设备中的微米/纳米液滴571

“Mike”Yung-Chieh Tan，Abraham“Abe”Lee571

21.1 活性或可编程液滴系统572

21.2 惰性液滴控制技术575

21.3 应用582

21.4 总结584

参考文献584

第三部分 扫描探针显微技术591

22 扫描探针显微术—工作原理、仪器构造及探针591

Bharat Bhushan，Othmar Marti591

22.1 扫描隧道显微镜593

22.2 原子力显微镜597

22.3 原子力显微镜的仪器系统及数据分析613

参考文献630

23 扫描显微术中的探针637

Jason H.Hafner637

23.1 原子力显微术638

23.2 扫描隧道显微术648

参考文献649

24 非接触式原子力显微术和相关专题651

Franz.J.Giessibl，Yasuhiro Sugawara.Seizo Morita，Hirotaka Hosoi，Kazuhisa Sueoka，Koichi Mukasa，Akira Sasahara，Hiroshi Onishi651

24.1 原子力显微术652

24.2 在半导体材料中的应用657

24.3 在绝缘体材料中的应用663

24.4 在分子研究中的应用670

参考文献673

25 低温扫描探针显微术679

Markus Morgenstern，Alexander Schwarz，Udo D.Schwarz679

25.1 低温条件下显微镜的操作使用680

25.2 仪器系统681

25.3 扫描隧道显微镜及谱学技术685

25.4 扫描力显微镜及谱学技术698

参考文献710

26 动态力显微术中的高阶谐波力检测717

Ozgur Sahrni，Calvin F.Quale，Olav Solgaard，Franz J.Giessibl717

26.1 轻敲模式AFM中的针尖样品间相互作用力模型718

26.2 采用弯曲共振技术增益相互作用力中的一个特征谐波分量721

26.3 通过扭转振动检测时间分辨的针尖样品间作用力724

26.4 应用举例727

26.5 在小振幅条件下的高阶谐波原子力显微术731

参考文献735

27 原子力显微术的动态力测量模式737

A.Schirmeisen，B.Anczykowski，Harald Fuchs737

27.1 研究动因：测量单原子键作用力737

27.2 谐振子：动态AFM模型系统741

27.3 动态力AFM的工作模式743

27.4 Q控制754

27.5 应用动态力AFM测量能量耗散过程758

27.6 总结762

参考文献762

28 分子识别力显微术：从简单键合到复杂能量景貌767

Peter Hinterdorfer，Ziv Reich767

28.1 针尖配体化学768

28.2 探针表面的受体固定770

28.3 单分子识别力检测771

28.4 分子识别力谱原理773

28.5 识别力谱：从孤立的分子到生物膜775

28.6 识别成像782

28.7 总结784

参考文献784

第四部分 纳米摩擦学和纳米力学791

29 纳米摩擦学，纳米力学和材料表征791

Bharat Bhushan791

29.1 AFM/FFM与其他测量技术793

29.2 表面成像，摩擦力和黏附力804

29.3 磨损，擦刮，局部变形和预制/加工829

29.4 压痕837

29.5 边界润滑841

29.6 结语852

参考文献853

30 分子级单层膜的表面力和纳米流变学859

Marina Ruths，Jacob N.Israelachvili859

30.1 简介：表面力的种类860

30.2 用于研究表面力的方法862

30.3 干燥（非润滑）表面间的法向力866

30.4 液体里表面间的法向力870

30.5 黏附力和毛细作用力880

30.6 简介：摩擦的不同方式和连续区模型的局限886

30.7 在干燥表面（非润滑和固体边界润滑）的黏附力和摩擦力之间的关系887

30.8 液体润滑的表面898

30.9 摩擦下的纳米级结构作用909

参考文献913

31 界面力和限制流体的谱学研究Y.Elaine Zhu，Ashis Mukhopadhyay，Steve Granick925

31.1 在微米或纳米级流控技术中液体流动的水动力：关于非滑动边界的一个问题926

31.2 疏水相互作用和疏水界面上的水932

31.3 限制流体的超快光谱研究：超快光谱和测力仪器的结合938

31.4 对分子级薄膜的摩擦和扩散进行对比941

31.5 剪切过程中受限分子的扩散945

31.6 总结946

参考文献946

32 对存在液体和单分子膜的固体表面上的纳米尺度黏附的扫描探针研究951

Robert W.Carpick，James Batteas，Maarten P.de Boer951

32.1 纳米尺度黏附的重要性951

32.2 测量黏附力的技术952

32.3 力、位移和针尖的校准957

32.4 在黏附过程中液体毛细作用的效果959

32.5 自组装单层膜968

32.6 结语973

参考文献974

33 原子级的摩擦和磨损981

Enrico Giecco，Roland Bennewitz，Oliver Pfeiffer，Anisoara Socoliuc，Ernst Meyer981

33.1 超高真空条件下的摩擦力显微术982

33.2 Tomlinson 模型986

33.3 原子级的摩擦力实验988

33.4 原子摩擦的热效应992

33.5 纳米级接触的几何效应996

33.6 原子级剪切999

33.7 原子摩擦和剪切的分子动力学模拟1001

33.8 在非接触式原子力显微术中的能量耗散1004

33.9 总结1006

参考文献1007

34 纳米级摩擦、黏附和磨损的速度依赖性1011

Nikhil S.Tambe，Bharat Bhushan1011

34.1 纳米摩擦学研究科学和工程问题1012

34.2 仪器操作1014

34.3 纳米级摩擦和黏附的速度依赖性1017

34.4 主控摩擦力区域和机制1020

34.5 纳米级摩擦力制图1035

34.6 在高滑动速度条件下剪切力的研究1037

34.7 纳米技术中的低摩擦和低黏附材料1043

34.8 结语1045

参考文献1046

35 计算机模拟纳米级压痕和摩擦1051

Susan B.Sinnott，Seong-Jun Heo，Donald W.Brenner，Judith A.Harrison1051

35.1 计算的细节1052

35.2 压痕1057

35.3 摩擦和润滑1072

35.4 结语1096

参考文献1097

36 纳米尺度力学性质—测量技术及其应用1107

Andrzej J. Kulik，Andras Kis，Gérars Gremaud，Stefan Hengsberger，GustavoS.Luengo，Philippe K.Zysset，LászlóForró1107

36.1 动态接触式AFM测量的局部力谱1108

36.2 静态方法—介观样本、剪切和杨氏模量1113

36.3 扫描纳米压痕—干性和湿性条件下生物组织的纳米力学性质测定1121

36.4 结语和展望1132

参考文献1133

37 固体表面和薄膜的纳米力学性质1137

Adrian B.Mann1137

37.1 仪器操作1138

37.2 数据分析1144

37.3 变形模式1152

37.4 薄膜和多层膜1156

37.5 发展中的领域1161

参考文献1161

38 力学性质和摩擦学中的尺度效应Bharat Bhushan，Michael Nosonovsky1167

38.1 术语1167

38.2 简介1169

38.3 力学性质的尺度效应1171

38.4 表面粗糙度和接触参数的尺度效应1175

38.5 摩擦力的尺度效应1178

38.6 剪切力的尺度效应1190

38.7 接触面温度的尺度效应1190

38.8 结语1191

38.A 粒子尺寸分布统计1192

参考文献1196

39 生物纳米技术中的力学问题1199

Rob Phillips，Prashant K.Purohit，JanéKondev1199

39.1 生物—纳米技术交叉科学1200

39.2 生物—纳米体系中的相关尺度1206

39.3 纳米—生物体系中的建模问题1212

39.4 自然界中的纳米技术：以病毒为研究对象1215

39.5 结语1220

参考文献1220

40 使用原子力显微术和纳米压痕技术表征人发的结构、纳米力学及纳米摩擦学特性1223

Bharat Bhushan，Carmen La Torre，Guohua Wei1223

40.1 人类头发、皮肤、护发产品1226

40.2 实验技术1235

40.3 结构的AFM表征1246

40.4 纳米压痕和纳米划痕的纳米力学表征1252

40.5 大尺寸摩擦学表征1266

40.6 使用AFM表征纳米摩擦1269

40.7 总结1300

40.A 护发素厚度的估算1302

参考文献1302

41 纳米结构的力学特性1305

Bharat Bhushan1305

41.1 测定纳米结构力学性质的实验技术1307

41.2 实验结果与讨论1312

41.3 粗糙面及划痕纳米结构的有限元分析1326

41.4 总结1332

参考文献1333

第五部分 润滑的分子薄膜1339

42 硬质超薄无定形碳膜的纳米摩擦学1339

Bharat Bbushan1339

42.1 通用膜沉积技术简介1343

42.2 化学及物理涂层的特性1347

42.3 涂层的微机械及摩擦特性1353

42.4 总结1374

参考文献1375

43 用于控制黏附、摩擦及磨损的自组装单层膜1379

Bharat Bhushan1379

43.1 有机化学简论1382

43.2 自组装单层膜：基底，联接链和末端基团1386

43.3 自组装单层膜的摩擦特性1389

43.4 总结1410

参考文献1411

44 纳米尺寸边界的润滑研究1417

Bharat Bhushan，Huiwen Liu1417

44.1 润滑剂细节1418

44.2 纳米变形、分子构型及润滑延展1420

44.3 边界润滑研究1422

44.4 总结1436

参考文献1436

45 纳米润滑中的动力学和热力学Rene M.Overney，George W.Tyndall，Jane Frommer1439

45.1 背景：从块体材料润滑到分子润滑1441

45.2 润滑摩擦的热运动模型1443

45.3 润滑模型的功能行为1444

45.4 基于微小不变性的接点的热力学模型1446

45.5 高斯统计的限制—分形空间1447

45.6 反应润滑的分形运动性1448

45.7 较大变性接点的亚稳润滑体系1450

45.8 总结1451

参考文献1451

第六部分 工业应用1457

46“千足虫”—基于纳米技术的AFM数据存储系统1457

Gerd K.Binnig，G.Cherubini，M.Despont，Urs T.Dürig，Evangelos Eleftheriou，H.Pozidis，Peter Vettiger1457

46.1 千足虫的概念1459

46.2 热机械AFM数据存储1460

46.3 阵列的设计、技术及加工1462

46.4 阵列表征1463

46.5 X/Y/Z介质微扫描仪1465

46.6 32×32排列芯片的初次读写结果1467

46.7 高分子介质1469

46.8 读取通道模型1475

46.9 系统的其他方面1479

46.10 总结1484

参考文献1484

47 用于数据存储的纳米技术1487

Dror Sarid，Brendan McCarthy，Ghassan E.Jabbour1487

47.1 商业数据存储器的现代地位1489

47.2 纳米技术为数据存储提供的新机遇1495

47.3 总结1506

参考文献1507

48 磁盘文件双级伺服系统的微驱动装置1509

Roberto Horowitz，Tsung-Lin（Tony）Chen，Kenn Oldham，Yun feng Li，Xinghui Huang，Shih-Chung Kon，Ryozo Nagamune1509

48.1 静电微驱动装置的设计1511

48.2 装配1520

48.3 MEMS微驱动装置双级伺服系统的伺服控制设计1528

48.4 结论和展望1541

参考文献1542

49 纳米机器人技术1545

Bradley J.Nelson，Lixin Dong1545

49.1 概述1546

49.2 纳米尺寸的驱动1547

49.3 纳米机器操作系统1549

49.4 纳米机器组装1555

49.5 应用1563

参考文献1566

第七部分 微/纳米器件的可靠性1575

50 MEMS/NEMS及生物MEMS/NEMS材料和装置的纳米摩擦和材料特性1575

Bharat Bhushan1575

50.1 简介1576

50.2 硅和相关物质的摩擦研究1593

50.3 MEMS/NEMS的润滑研究1600

50.4 硅基的生物分子表面和多聚物涂层表面的摩擦研究1606

50.5 纳米图形化表面1611

50.6 成分研究1616

50.7 总结1627

50.A 微/纳米装配方法附录1628

参考文献1631

51 微/纳装置的实验表征技术Kimberly L.Turner，Peter G.Hartwell1639

51.1 研究动因1639

51.2 动态MEMS/NEMS的应用1640

51.3 测试/表征技术1640

51.4 范例：表征一个平面内的MEMS驱动装置1654

51.5 测试设计1659

参考文献1659

52 MEMS/NEMS装置的失效机理1663

W.Merlijn van Spengen，Robert Modlinski，Robert Puers，Anne Jourdain1663

52.1 故障模式及失效机理1663

52.2 电荷相关的故障机制1665

52.3 蠕动、疲劳、磨损、以及与封装相关的故障1671

52.4 总结1681

参考文献1681

53 微机械加工结构的力学性质1685

Harold Kahn1685

53.1 基底上薄膜的力学性质测定1685

53.2 测定力学性质的微机械结构1686

53.3 力学性质的测量1696

参考文献1699

54 薄膜微/纳米结构的力热/力电学行为1703

Martin.L.Dunn.Shawn J.Cunningham1703

54.1 多层膜结构的力热学1705

54.2 薄膜结构的力电学1726

54.3 总结及其他主题1744

参考文献1745

55 微机电系统（MEMS）产品的批量生产和现场稳定性1749

Jack Martin1749

55.1 生产策略1752

55.2 可靠制造技术1754

55.3 性能稳定性1769

参考文献1772

56 微/纳米系统中的封装和稳定性1777

Jongbaeg Kim.Yu-Ting Cheng，Mu Chiao，Liwei Lin1777

56.1 微/纳米电力学的封装1777

56.2 密封和真空封装及其应用1783

56.3 与热相关的因素和封装可靠性1791

56.4 未来趋势和总结1798

参考文献1799

第八部分 技术融合与纳米技术的掌控1807

57 纳米尺度上的技术融合1807

William Sims Bainbridge1807

57.1 纳米科学的协同作用1807

57.2 纳米尺度技术的融合动态1810

57.3 道德、法律和社会影响1811

57.4 合成演化1814

57.5 技术融合的文化影响1816

57.6 总结1819

参考文献1819

58 掌控纳米技术：社会、道德和人类论题1823

William Sims Bainbridge1823

58.1 社会科学背景1823

58.2 纳米技术对人类的影响1827

58.3 纳米技术的规范化1830

58.4 纳米技术的人文内涵1832

58.5 总结1835

参考文献1835

致谢1841

作者简介1845

主题词索引1877