Towards the Synthesis of Micro-/Nano-Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Kimura, Fumihiko (EDT)/ Horio, Kenichiro (EDT)

出品人:

页数:356

译者:

出版时间:

价格:139

装帧:HRD

isbn号码:9781846285585

丛书系列:

图书标签:

• Micro-Nano Systems
• Synthesis
• Materials Science
• Nanotechnology
• Microfabrication
• Engineering
• Biomedical Engineering
• Sensors
• MEMS
• Nanomaterials

深入探索材料科学与工程的前沿：面向微纳尺度系统构建的物理与化学基础 本书精要： 本书旨在为材料科学家、工程师、物理学家和化学家提供一个全面且深入的框架，用以理解和掌握构建微米和纳米尺度系统的关键科学原理与技术挑战。重点关注在这些尺度下，材料的性能如何因尺寸效应而发生根本性转变，并详细阐述如何利用这些独特的性质来设计、制造和表征新型功能系统。全书内容涵盖了从基础的量子效应、表面物理化学到先进的自组装技术、精密加工方法，以及在能源、生物医学和信息技术等交叉领域的具体应用案例。 第一章：微纳尺度的物理学与材料特性 本章奠定了理解微纳系统构建的理论基础。首先，我们深入探讨了尺寸效应在材料科学中的核心地位。当材料的特征尺寸进入微米和纳米量级时，宏观尺度下被忽略的诸多物理现象变得至关重要，特别是表面能、量子限域效应和介观传输现象。 表面与界面效应的统治性影响： 详细分析了在纳米尺度下，材料的表面原子百分比急剧增加所带来的催化活性、润湿性及化学反应性的显著改变。讨论了表面自由能的计算模型及其对纳米颗粒形貌演化和稳定性的影响。 量子限域与电子结构： 重点剖析了量子点、纳米线等结构中，电子能带结构如何因空间约束而发生重构，从而导致光学吸收和发射光谱的蓝移现象。引入了有效质量近似模型，并探讨了量子限制效应对半导体材料电学性能的调控。 介观输运现象： 考察了电子、热量和自旋在微纳结构中的非连续性输运机制，包括电子的弹道输运、量子电导的出现，以及热导率在纳米尺度下的显著下降，为设计高性能纳米电子器件和热管理系统提供了理论支撑。 第二章：微纳结构的设计与表征技术 有效的系统构建离不开精确的设计工具和高分辨率的表征手段。本章聚焦于将理论转化为可操作的结构，并验证其真实形貌与功能。 自下而上策略：分子自组装与模板诱导成核： 详细阐述了如何利用分子间作用力（如范德华力、氢键、π-π堆积）驱动纳米结构有序排列的过程。讨论了受限空间中的成核与生长动力学，特别是液相外延和溶胶-凝胶法在形成多级结构中的应用。此外，探讨了生物分子（如蛋白质、DNA）作为构筑块在构建复杂功能超材料中的潜力。 自上而下策略：精密加工技术： 深入分析了光刻技术（包括紫外光刻、极紫外光刻EUVL）的分辨率极限与关键工艺参数控制。重点介绍了电子束光刻（EBL）在亚十纳米特征制造中的优势与挑战，以及聚焦离子束（FIB）在材料去除和局部改性方面的应用。对干法刻蚀（反应离子刻蚀RIE、深反应离子刻蚀DRIE）的各向异性和选择性进行了详尽的比较分析。 先进表征技术： 强调了高空间分辨技术在微纳系统研究中的不可替代性。详细介绍了透射电子显微镜（TEM）在高分辨率成像、晶格缺陷分析和元素微区分析（EDS/EELS）中的操作原理和数据解读。同时，讨论了原子力显微镜（AFM）在表面形貌、力学性能测量以及纳米操作中的实际应用。 第三章：微纳系统中功能材料的界面控制 微纳系统的功能性往往由不同材料间的界面性质决定。本章侧重于如何精确控制材料的异质结构界面以实现特定的电、磁或光学响应。 薄膜生长与异质结构建： 探讨了物理气相沉积（PVD，如溅射、脉冲激光沉积PLD）和化学气相沉积（CVD）在生长高质量、晶格匹配或失配的薄膜方面的优缺点。重点分析了应变工程在调控功能材料（如铁电体、磁性材料）电子相变和磁各向异性中的作用。 表面功能化与化学修饰： 阐述了如何通过化学键合（如硅烷化、点击化学）在纳米颗粒或基底表面引入特定的官能团，以实现对生物分子或特定离子的选择性捕获或耦合。讨论了表面等离子体共振（SPR）现象及其在生物传感中的应用。 多孔材料的结构调控： 深入研究了介孔材料（如沸石、MOFs）的孔径分布、比表面积与传质速率之间的定量关系。分析了通过精确控制孔道结构来优化吸附、分离和催化效率的策略。 第四章：微纳系统的集成与应用范例 构建微纳系统不仅需要制造单个组件，更需要将这些组件集成到一个可操作的装置中。本章通过具体的案例研究，展示了微纳制造技术在解决实际工程问题中的强大能力。 微机电系统（MEMS）与传感器原理： 概述了基于硅材料的微结构设计，如悬臂梁、扭转摆和薄膜谐振器的工作原理。详细分析了电容式、压阻式和静电驱动的传感机制，并探讨了如何通过优化结构刚度和阻尼来提高传感器的灵敏度和稳定性。 微流控芯片与生物分离： 介绍了利用微米级通道来精确控制液体流动、混合与分离的技术。讨论了层流和湍流在微通道中的差异，以及如何利用电泳、惯性聚焦等物理效应实现高通量的单细胞分析和微反应器设计。 纳米能源器件的界面优化： 分析了在锂离子电池电极、燃料电池催化剂层及太阳能电池活性层中，纳米结构如何通过增加反应表面积和缩短电荷传输路径来提升整体性能。探讨了电极/电解质界面的阻抗行为及其对器件寿命的影响。 结论与展望 本书总结了当前微纳系统构建领域的核心挑战，包括批次稳定性、大规模制造的成本控制，以及跨尺度模型验证的复杂性。展望未来，本书强调了人工智能与机器学习在加速新型材料筛选和工艺参数优化中的关键作用，并预示了柔性电子、可穿戴设备以及按需制造技术将成为下一代微纳系统研究的焦点。 目标读者： 本书适合作为高等院校材料科学、化学工程、物理学、电子工程专业研究生及高年级本科生的教材或参考书。同时，也是从事相关领域研发工作的工程师和科研人员的宝贵资源。读者应具备基础的物理化学和固体物理知识。

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