书名：纳米科技创新方法研究

书号：978-7030-333209

作者：王琛 等

出版日期：2/1/2012

丛书名：纳米科学与技术

定价：88

开本：B5

装帧：平装

字数（千字数）：480

出版社：科学出版社

本书归纳总结纳米科学研究中的创新科学方法及思想，分析纳米科学研究方法的发展趋势，阐述先进的纳米科学测量仪器和技术手段，论述纳米科学研究方法与其他学科领域的交叉、融合与互相促进。重点论述纳米材料合成方法学、自组装方法、扫描探针显微技术、单分子科学、分子影像技术、聚焦电子束/聚焦离子束技术、纳米刻蚀技术、纳米标準及理论计算方法等，并探讨了其发展的根源、创新思维及未来的发展等。

王琛，男，国家纳米科学中心研究员，中心主任。1986年毕业于中国科学技术大学, 1992年5月在美国维吉尼亚大学获博士学位,1992年6月至1993年12月在美国亚利桑那州立大学化学系从事博士后研究, 1994年2月至1995年8月任华中师範大学物理系教授,1995年9月-2004年4月任中科院化学所研究员。2004年4月至今为国家纳米科学中心研究员。北京大学，吉林大学，华中师範大学兼职教授。曾承担国家自然科学基金委重点项目，国家杰出青年基金，973课题，中科院重大项目课题等。曾经多次在国际学术会议上作邀

获国家出版基金资助出版

中国科学院院长白春礼院士主编

科技部创新方法项目成果

国家纳米科学中心主任编着

内容涉及化学、物理、生物、材料、医学等学科领域

本书可作为高等院校物理、化学、生物、材料、医学等专业研究生的参考教材,也可供从事纳米科学与技术相关研究的科技工作者参考。

《纳米科学与技术》丛书序

前言

第一篇 绪论

第1章 纳米科技研究方法

1.1 科学方法研究

1.1.1 关于科学方法

1.1.2 科学方法的分类

1.1.3 科学方法的主要内容

1.1.4 科学方法的发展历程

1.1.5 研究科学方法的意义

1.2 科技发展的新时代

1.2.1 科学发展的变革时期

1.2.2 科技发展的机遇

1.3 科技面临的新问题

1.3.1 原子团特性

1.3.2 量子效应

1.3.3 尺寸效应

1.3.4 维数效应

1.3.5 相位相干

1.3.6 单电子行为

1.3.7 量子比特

1.3.8 多场调控

1.4 多学科交叉的研究方法

1.4.1 纳米结构的複杂性

1.4.2 多尺度与界面

1.4.3 大学科交叉

1.5 纳米科技研究方法的发展趋势

1.5.1 NBIC汇聚技术

1.5.2 分子电子学的难题

1.5.3 生物电子学

1.5.4 智慧型电路与人造物种

参考文献

第二篇 纳米材料製备篇

第2章 纳米材料的液相製备方法

2.1 烧杯中的化学

2.2 水相合成

2.2.1 半导体纳米粒子

2.2.2 贵金属纳米粒子

2.2.3 金属氧化物纳米材料

2.2.4 磁性纳米材料

2.3 有机相合成

2.3.1 半导体纳米材料

2.3.2 贵金属纳米材料

2.3.3 金属氧化物纳米材料

2.3.4 磁性纳米材料

2.4 界面合成

参考文献

第3章 一维纳米材料的气相合成

3.1 气相合成方法的分类

3.2 化学气相沉积方法製备碳纳米管

3.2.1 化学气相沉积方法在碳纳米管研究中的套用

3.2.2 化学气相沉积方法製备碳纳米管的实验装置及条件

3.2.3 化学气相沉积方法製备碳纳米管机理研究

3.2.4 化学气相沉积方法製备多壁碳纳米管的研究进展

3.2.5 化学气相沉积方法製备单壁碳纳米管的研究进展

3.3 化学气相沉积方法製备纳米线

3.3.1 化学气相沉积方法在纳米线研究中的套用

3.3.2 化学气相沉积方法在氧化锌纳米线研究中的套用

3.3.3 氧化锌纳米线的生长机理

3.3.4 氧化锌纳米线的性能及套用

3.4 物理气相沉积方法在纳米器件研究中的套用

参考文献

第4章 自组装方法和技术

4.1 自组装的驱动力——非共价作用

4.1.1 静电作用

4.1.2 范德华力

4.1.3 氢键

4.1.4 π-π堆积作用

4.1.5 疏水作用

4.2 分子和纳米粒子的自组装

4.2.1 两亲性组装单元的自组装

4.2.2 纳米粒子的自组装

4.2.3 手性超分子组装

4.2.4 多尺度、多级次组装

4.3 分子和纳米粒子受限环境中的组装

4.3.1 气/液界面的自组装

4.3.2 固/液界面的自组装

4.3.3 图案化组装

4.4 结论与展望

参考文献

第三篇 纳米表征技术篇

第5章 扫描探针显微技术

5.1 扫描隧道显微镜

5.1.1 工作原理

5.1.2 结构解析度

5.1.3 扫描隧道谱

5.2 原子力显微镜

5.2.1 工作原理

5.2.2 结构解析度

5.2.3 单分子力谱

5.3 静电力显微镜

5.3.1 静电力显微镜工作原理

5.3.2 静电力显微镜的套用

5.4 磁力显微镜

5.4.1 磁力显微镜工作原理

5.4.2 磁力显微镜的套用

5.5 SPM操纵与加工

5.5.1 原子/分子操纵

5.5.2 加工和刻蚀

参考文献

第6章 单分子和单粒子检测技术

6.1 单分子研究方法

6.1.1 单分子的扫描隧道显微研究

6.1.2 基于原子力显微技术的单分子研究

6.1.3 平面电极隧道结技术

6.2 单个纳米结构的电、磁、热、光学性质测量

6.2.1 纳米材料的电学性质

6.2.2 纳米材料的磁学性质

6.2.3 纳米材料的热学性质

6.2.4 纳米材料的光学性质

参考文献

第7章 分子影像技术

7.1 分子影像学的基本原理与方法

7.1.1 分子影像学的概念、任务与特点

7.1.2 分子影像探针

7.1.3 分子影像信号放大技术

7.1.4 分子影像设备及其相关技术

7.2 超声分子影像技术

7.2.1 超声分子成像的基本原理

7.2.2 超声分子影像设备

7.2.3 超声分子影像造影剂

7.3 磁共振分子影像技术

7.3.1 磁共振分子成像的基本原理

7.3.2 磁共振分子影像设备

7.3.3 磁共振分子影像探针

7.4 核医学分子影像技术

7.4.1 核医学分子成像的基本原理

7.4.2 核医学分子影像设备

7.4.3 核医学分子影像探针

7.5 光学分子影像技术

7.5.1 光学分子成像的基本原理

7.5.2 光学分子影像设备

7.5.3 光学分子影像探针

7.6 多模式分子影像技术

7.6.1 多模式分子影像设备

7.6.2 多模式分子影像探针

7.7 基于分子影像的诊断与治疗相结合的综合技术

7.7.1 分子影像探针携带药物

7.7.2 分子影像药物治疗评估

7.7.3 分子影像药物筛选

7.8 小结

参考文献

第8章 纳米标準与计量

8.1 纳米技术标準化

8.1.1 纳米技术领域名词术语的标準化

8.1.2 纳米测量与表征标準化

8.1.3 纳米环境、健康与安全

8.2 纳米标準物质与标準样品

8.2.1 纳米尺度基本几何量的标準物质

8.2.2 纳米材料与性能标準物质/样品

8.3 纳米计量研究

8.3.1 纳米几何量标準物质特性量值的计量定值

8.3.2 纳米计量仪器

8.3.3 其他纳米计量

参考文献

第四篇 纳米加工与器件篇

第9章 传统纳米加工技术

9.1 聚焦电子束方法

9.1.1 聚焦电子束的产生和操控——电子光学

9.1.2 电子束与物质的相互作用

9.1.3 聚焦电子束在纳米科技中的套用

9.2 聚焦离子束方法

9.2.1 离子与物质的相互作用

9.2.2 离子束聚焦的基本原理

9.2.3 聚焦离子束系统的基本结构

9.2.4 聚焦离子束系统的组成

9.2.5 聚焦离子束方法在纳米科学研究中的套用

参考文献

第10章 特色纳米加工技术

10.1 微接触印刷技术

10.1.1 微接触印刷技术简介

10.1.2 微接触印刷技术的各种变体

10.1.3 微接触印刷技术的套用

10.2 纳米压印技术

10.2.1 纳米压印技术的原理及分类

10.2.2 纳米压印技术的各个组成部分

10.2.3 纳米压印模式的发展

10.2.4 纳米压印技术的套用

10.3 浸蘸笔纳米印刷技术

10.3.1 DPN技术的组成部分

10.3.2 DPN技术的发展

10.3.3 DPN技术的套用

参考文献

第11章 多光子超衍射三维纳米加工技术

11.1 多光子超衍射纳米加工基本原理

11.1.1 多光子吸收过程的物理效应

11.1.2 多光子超衍射纳米加工中的材料设计

11.2 多光子超衍射纳米加工技术

11.2.1 多光子超衍射纳米加工系统与方法

11.2.2 多光子加工解析度

11.2.3 多焦点并行加工技术

11.3 多光子超衍射纳米加工技术的套用

11.3.1 微尺度光子学器件

11.3.2 微机械与微流控

11.3.3 功能材料的多光子微/纳加工

11.4 多光子超衍射三维纳米加工技术研究中所面临的问题及发展方向

11.4.1 多光子超衍射三维纳米加工物理机制与新原理髮现

11.4.2 多光子超衍射三维纳米加工材料扩展与功能化

11.4.3 多光子超衍射三维纳米加工技术的套用

11.4.4 微/纳结构的大面积快速製备技术

参考文献

第五篇 纳米尺度的理论方法篇

第12章 纳米结构的理论模拟方法

12.1 纳米体系电子结构

12.2 理论建模——光学性质

12.2.1 金属/介电材料光学性质简介

12.2.2 半导体材料光学性质简介

12.3 理论建模——输运性质

12.3.1 稳态输运理论

12.3.2 含时输运：Tien-Gorden方法

12.4 数值模拟方法

12.4.1 打靶法

12.4.2 Hartree方法与Hartree-Fock方法

12.4.3 密度泛函理论

12.4.4 分子动力学

12.4.5 有限时域差分方法

12.5 小结

参考文献

第一篇绪论

第1章纳米科技研究方法

20世纪微电子的诞生和发展对人类社会产生了巨大的影响，推动人类社会进入了资讯时代。微电子小型化的发展趋势促使科技研究进入了纳米範畴，兴起了纳米科技。21世纪纳米科技研究出现了热潮，其研究内容涉及科学与技术的各个领域，故有人称为纳米时代。纳米科技研究的对象是介于人们所熟悉的由无穷多原子构成的巨观体系和原子体系之间的有限个原子构成的体系。这个研究领域是此前人们不熟悉的，有很多新奇的结构和特性，因此这是科学发展的新领域。成为当前科学发展的重要内容，有丰富的理论和技术问题有待探索和开发，引起了学者和政治家的极大关注。21世纪以来，已开发国家政府和国际大公司纷纷制定纳米研发计画，投入了相当大的人力、财力，呈现强烈的科技竞争态势。在这场科技竞争，也是未来经济竞争中，各国都希望能够捷足先登。在科技发展的新时代，大家都处于同一起跑线上，谁能成为领先者，掌握先进的科学方法显得非常重要。本章将针对纳米科技的具体内容和特点讨论有关科学方法问题，希望会对高速发展的纳米科技有所帮助。

1.1科学方法研究

人类的科学发展史表明，自然科学是从神学、哲学中脱颖而出，成为独立的科学体系的。从欧几里得的《几何原本》提出归纳推论的科学方法，到以牛顿的《自然哲学的数学原理》为代表的经典物理学，自然科学的研究方法达到了成熟阶段；至19世纪末20世纪初，现代物理学诞生，科学方法研究发展为成熟的科学体系——方法学。现今在教学、科学研究中，往往忽视了方法学的学习和训练。随着科学研究的深入，面对科技的複杂化趋势，方法学的研究和学习越来越显得重要。

1.1.1关于科学方法

科学方法是人们探索自然和社会规律、获取知识的最有效的程式和途径，是人们在认识和改造世界活动中，遵循和运用以科学为基础的各种方法和手段的总称。对客观世界规律的理性认识是人类掌握的知识，这些知识经过综合和系统化，为实验、实践检验证实是正确的，即是科学。在人类知识中还有很多是非科学的，如迷信、伪科学。科学与迷信的区分主要表现在：科学注重理性原则，迷信则崇尚信仰。重视理性原则还是崇尚信仰为区分科学与迷信的判据。在科学发展过程中，不时混进伪科学，其主要区别是科学注重实践原则。判别科学与迷信、伪科学的另一条标準是实践性。科学注重可重複性原则，可重複性是判别真伪科学的检验方式。科学注重逻辑完备性，强调因果关係和理性关联推理规则，这也是科学方法的重要内容。对科学原理的表述、理解和研究过程中，有严谨的科学方法，它也是人类知识的重要内容。科学注重简单性，简单性原则也是判断科学的真伪与优劣程度的标準。科学原理与科学方法是密切相关、相辅相成的，因此科学方法是人类认识自然世界和社会的重要手段，是遵从、改造自然和社会的重要工具，是人类知识宝库中的重要内容之一。

科学理论的研究与发展伴随着科学方法的研究与发展。科学基于正确的科学方法而发展，也是因为有了科学方法才成其为科学，它体现了科学的理性精神，构成了知识体系的基础和框架。若研究者具有很高的科学方法素养，往往会最先获得创新科技成果，成为科学研究的佼佼者。科研中难能可贵的创造性才华，由于方法拙劣可能被削弱，甚至被扼杀；而良好的方法则会增长、促进这种才华。科学方法引导着、规範着科学研究的进展，其自身也是科学和生产实践的产物。在每一次科学革命过程中也包含着科学方法的变革与发展。先进的科学方法不仅促进某一学科的迅速发展，而且还能广泛地影响其他自然科学和社会科学，为人类认识自然和社会提供新的步骤和程式。科学发展的初期，有关科学方法被看成哲学上的重要内容，称为科学知识论或方法论，作为讨论方法的理论是与人类对科学的探索同时诞生的。随着科学的发展，出现了逻辑归纳法、推理法、统计法等。通常科学家多是在自己的学科领域讨论各自表述客观规律的方法，如人文社会学的“人类审美学”、“社会统计学”，物理学的“物理数学”，实验科学的“实验方法”，生物医学的“生物统计学”、“临床病理学”等。在众多科学方法研究的基础上，有人从哲学综合的高度上，研究普适的科学方法，撰写种种科学方法论专着。科学方法既是科学认识中表述客体、规律和获取知识的工具，也是科技合理性的评价标準。而科学的发展与科学方法的改进是密不可分、融为一体的。当科学发展进入一个新变革时期，相应的创新科学方法也是人们研究的重要内容。在纳米科技发展的初期，有意识地探索相应的创新科学方法，将具有重要意义。

1.1.2科学方法的分类

科学方法种类繁多，既包括源于哲学抽象思维的适合各个学科的普适方法，也包括学科各自的特殊方法。从总体上，科学方法可分为三大类：经验方法（包括观察、测量、实验方法等）、理性方法（包括逻辑、数学、统计方法等）和臻美方法（包括直觉、对称、类比方法等）。再具体一些可按科学事实的蒐集和加工分为获取信息的方法和信息处理的方法。按理论认识和经验认识分为理性方法和感性方法。观察和实验是近代科学实证精神的体现，是人们获取关于客体的自然信息并对之加以研究的基本形式，是科学认知的基础。科学活动是理性思维探索客观规律，再由实验或实践去验证其正确性的过程。有时是用理性方法去整理感性材料，经过归纳、分析，描述规律，说明结论。观察和实验是科学认识最初始、最基本的一种形式，更是人们有目的、有意识地对理性归纳、演绎的结论进行检验的活动。在生产、生活中，人们需要对事物和现象进行感知和描述，必须运用语言和思维方法。随着科学实践的发展，人们的观察方式和能力也在不断提高，经历了从古代的感官观察到17世纪初望远镜和显微镜等工具仪器的使用，从自然条件下的观察到人工条件下的实验测量，从手工操作的仪器观察到计算机自动化操作、效率更高的数据採集、分析处理和判断等越来越複杂的观察。科学观察的基本原则，是坚持观察的客观性和全面性，应力求全面系统地观察对象，注意搜寻细节，排除观察者个人生理特徵的影响和心理预期、先入之见的干扰，使观察或实验具备可重複性，以保证所获经验材料的确实可靠。科学观察的成功之道是要以理论思维为指导，善于捕捉意外的现象。观察儘管是一种通过感官进行的感性认识，但从目的的确定，手段的改进，到对象和环境的选择，其中的每一步都依赖于理性思维。而对于观察现象的认识和理解，更是与观察者的知识储备、理论修养和科学方法的掌握分不开的。科学史上屡屡出现观察者已观察到新的现象，却由于缺乏必要的背景知识不能正确解释，或者科学方法不够正确，而与重大的科学发现失之交臂的事例。即使是按一定理论预期进行的实验，也要注意捕捉实验目的之外出现的意外现象，因为这些偶然性事件常常会成为新的科学发现的起点。例如，义大利动物学家加尔瓦尼（L?Galvani）在青蛙解剖实验中意外发现“动物电”现象;丹麦物理学家厄斯泰兹（H?C??rsted）在一次电磁讲座快结束时，极为偶然地通过变动电流导线下的磁针方向改变，而发现电流的磁效应，促成了电磁学的发展。这一类观察被称为机遇观察，微生物学的奠基人巴斯德(L?Pasteur)有句名言：“在观察的领域里，机遇只偏爱那种有準备的头脑。”

科学方法是多元的，它既包括较为有序的经验方法和理性方法，也包括不很有序或很不有序的臻美方法，它甚至对无序的猜测、想像、灵感、幻想等创造性的心理活动亦持宽容或欢迎态度，尤其是在作假设时。记得在海南召开的一次关于材料计算的“973”项目学术讨论会议上，在原子势计算理论方面颇有建树的陈难先院士讲到原子密堆固体结构的有序与无序问题时，即兴作出“有序歌”曲牌九七三：“说不清世上无穷有序，道不白人间多少无序，有序无序全看有趣没有趣。说有序一看就像有序，不是有序也自有序，其实有序必然伴无序，无序又咋能离开有序？无序闹有序，愈闹愈有趣。天涯海角，南国风光，何必有序无序。海阔天空，波飞云舞，有序怎比无虑!”（2004年12月5日题）道出了有序与无序间的辩证关係，也表明科学家的情怀。科学方法是创新的，伟大的科学发现都没有固定的程式和现成的方法可循，科学研究的进展伴随着新的科学方法的创建。纳米科技的兴起，带给人们更多的新机遇，也必将伴随科学方法的新进展，此时开展创新方法研究具有重要的意义。

还不知道。宇宙钟的音调揭示了宇宙的年龄和它膨胀的速度，其年龄为137亿年，膨胀速度为71光年/秒，形状是一个扁平片。从真空科学角度看，宇宙的绝大部分为由暗能量和暗物质填充的空间。

图1?3黑暗的宇宙

(a) WMAP及其探测的宇宙; (b) 超新星爆炸后的图像; (c) 越来越暗的宇宙变化图像

关于“双暗”的问题，可以通过量子力学的两个重要发展方向来考虑物理学面临的新的统一理论问题。这两个方向之一是将量子力学套用到更小（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、质子构成的，因此进一步就是把量子力学用到原子核。原子核有各式各样的衰变，还可以人工蜕变，原子核物理学就是在量子力学的指引下发展起来的。再进一步，就是基本粒子物理学，即物质的基本构成单元是最微小的轻子、夸克、胶子和其他粒子。量子力学的另一个发展方向，就是把量子力学用于处理更大尺度上的问题，比如分子的问题（即量子化学问题）和固体物理或凝聚态物理的问题。从研究对象的尺度看，从固体物理到地球物理、行星物理，再到天体物理和宇宙物理，其研究範围越来越大。但宇宙的研究又和基本粒子的研究联繫起来了，两个不同的发展方向，迴环曲折，最后又归拢到了一起。这样，现代物理学的研究领域十分宽广，从最微小的基本粒子一直延伸到浩瀚的宇宙。显而易见，在极小和极大这两个极端处存在大片尚待开发的处女地，有极丰富的科学问题，孕育着科学发展的机遇。在物质结构的众多层次中，随着複杂性的增加，还会涌现无穷无尽的问题，向物理学家提出新的挑战。例如玻色?爱因斯坦凝聚、超流、超导电性等，这些问题不仅在基础理论上有重要意义，也可能引发技术上的重大变革。进入21世纪后，物理学仍有极其光明的前景。在20世纪人类科技发展辉煌的一百年的基础上，新一代电子学的诞生，将给人类带来惊人的变革，促进社会进入智慧型资讯时代，所以21世纪，人类面临着科学发展的新时代。