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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Mansoori, G Ali

出品人:

页数:358

译者:

出版时间:2005-3

价格:$ 108.00

装帧:HRD

isbn号码:9789812561541

丛书系列:

图书标签:

纳米技术
纳米科学
材料科学
物理学
化学
工程学
科学
技术
应用科学
前沿科技

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具体描述

This invaluable book provides a pointed introduction to the fascinating subject of bottom-up nanotechnology with emphasis on the molecular-based study of condensed matter in small systems. Nanotechnology has its roots in the landmark lecture delivered by the famous Nobel Laureate physicist, Richard Feynman, on 29 December 1959 entitled "There's Plenty of Room at the Bottom." By the mid-1980s, it had gained real momentum with the invention of scanning probe microscopes. Today, nanotechnology promises to have a revolutionary impact on the way things are designed and manufactured in the future. Principles of Nanotechnology is self-contained and unified in presentation. It may be used as a textbook by graduate students and even ambitious undergraduates in engineering, and the biological and physical sciences who already have some familiarity with quantum and statistical mechanics. It is also suitable for experts in related fields who require an overview of the fundamental topics in nanotechnology. The explanations in the book are detailed enough to capture the interest of the curious reader, and complete enough to provide the necessary background material needed to go further into the subject and explore the research literature. Due to the interdisciplinary nature of nanotechnology, a comprehensive glossary is included detailing abbreviations, chemical formulae, concepts, definitions, equations and theories.

《微观世界的奇迹：现代材料科学前沿探索》图书简介导言：尺度之下的新世界人类对物质的认知从未停歇，从宏观世界的物理定律，到化学键合的精妙结构，每一步深入都带来了文明的飞跃。然而，当我们将目光聚焦于十亿分之一米的尺度——纳米尺度——时，我们所面对的不再是传统材料科学的简单延伸，而是一个全新的物理、化学和工程学领域。本书《微观世界的奇迹：现代材料科学前沿探索》，旨在带领读者穿越材料科学的传统边界，深入探究在极小尺度下物质所展现出的令人惊叹的集体行为、量子效应以及由此催生的革命性应用。本书并非对任何单一技术领域的机械罗列，而是一部关于“尺度效应”如何重塑我们对物质理解的深度剖析。它将重点放在基础原理的建立，结合当前最尖端的实验证据和理论模型，构建起一个理解未来材料体系的知识框架。我们回避了对具体商业化产品的描述，转而聚焦于驱动这些创新的底层科学机制。第一部分：从原子到结构——微观形貌的精确控制本部分是全书的理论基石，着重阐述如何从原子层面精确控制材料的结构和形态。我们探讨的重点在于“可控性”和“结构-性能关系”的重新定义。第一章：晶体缺陷与界面工程的再认识在传统材料学中，晶体缺陷常被视为需要消除的“杂质”。然而，在微观尺度下，我们发现缺陷和界面才是调控材料性质的关键。本章详细分析了位错、空位、晶界在纳米材料中的独特行为。重点讨论了表面能、弛豫效应以及电子态在界面处的重构。例如，在极小颗粒中，表面原子占总原子数的比例剧增，这使得材料的反应活性、催化性能和光学特性（如表面等离子体共振）完全被表面态所主导。我们深入探讨了利用这些界面差异来实现选择性催化、高密度储能和精密传感的理论模型。第二章：超细化加工技术的基础物理本章关注如何实现对物质形态的“自下而上”和“自上而下”的精确塑造。我们不讨论具体的设备操作，而是深入剖析其背后的物理化学过程。自下而上：受限环境下的生长动力学。探讨了液相化学合成（如胶体合成法）中，过饱和度、成核速率与生长速率之间的复杂反馈机制。特别关注了普林斯顿-费舍尔（Prins-Fisher）模型在调控各向异性生长（如纳米线、纳米片形成）中的应用，以及如何通过引入模板或表面活性剂实现对晶体生长取向的动力学控制。自上而下：高精度刻蚀的物理极限。聚焦于电子束刻蚀、聚焦离子束等技术中，粒子与物质的相互作用。分析了溅射产额、次级电子发射以及等离子体蚀刻过程中的反应性自由基迁移率，这些因素决定了刻蚀的侧壁陡度和最终结构的分辨率。第二部分：尺度效应下的新物理——量子与电子行为当材料尺寸进入特征尺寸的量子限制域时，经典物理定律开始失效，量子力学效应占据主导。本部分旨在解析这些“新物理”现象的本质。第三章：量子限制效应与能带结构重构本书花费大量篇幅解析了电子的量子阱、量子线和量子点中的能量量子化现象。重点在于有效质量近似（Effective Mass Approximation, EMA）在描述这些体系中的局限性，以及如何引入包络函数方法（Envelope Function Method）来精确计算尺寸依赖的带隙能量和激子束缚能。深入分析了不同尺寸量子点在光致发光（PL）光谱中呈现的蓝移现象，并将其与电子-空穴对（激子）的有效半径进行量化关联。第四章：磁学与电学特性的尺寸依赖性在磁性材料中，尺寸的减小导致磁畴壁的消失，从而进入单畴磁性区域。本章深入探讨了钉扎能、磁各向异性以及磁振子谱如何随颗粒尺寸的缩小而变化。讨论了热稳定性与退磁场之间的平衡，这是设计高密度信息存储介质（如MRAM）的基础。在电学方面，我们考察了传输隧穿效应（特别是肖特基势垒下的量子隧穿）在极薄结中的影响，以及如何利用电子的干涉效应（如Aharonov-Bohm效应）来设计新型低功耗器件。第三部分：性能的飞跃——从基础到应用范式的转变本部分将前述的物理基础应用于解释和预测材料在极端条件下的宏观性能，重点在于展示“小尺寸”如何带来“大性能”。第五章：新型力学性能的量化在纳米尺度，材料的塑性变形机制发生了根本性改变。传统材料的屈服强度通常服从Hall-Petch关系，但在极小晶粒尺寸下，该关系会发生“反常”的转变。本章详述了孪晶机制、位错源的激活能与尺寸的相互作用。重点分析了高熵合金（HEA）和纳米层状材料中，层间滑移与界面处的粘附力如何共同决定材料的硬度和韧性。此外，本书讨论了纳米复合材料中，增强相与基体的界面对裂纹萌生和扩展的阻碍作用，包括微裂纹桥接与拉伸的力学模型。第六章：光子与电子的协同操控本章聚焦于如何在功能材料中集成光与电的控制能力。我们讨论了表面等离子体共振（SPR）现象的电磁理论基础，即自由电子的集体振荡与入射光场的耦合。关键在于解析表面等离激元在亚波长尺度上对光能的捕获、增强和操控能力，这与传统光学器件的衍射极限形成了鲜明对比。在电子方面，我们回顾了狄拉克锥和线性色散关系在新型二维导体中的体现，分析了这些材料如何实现近乎无损的电子传输，以及由此带来的低能耗电子学潜力。结论：迈向复杂功能集成本书最后总结了当前材料科学领域面临的核心挑战：如何从可控的纳米结构单元，可靠地扩展到具有宏观性能的复杂集成系统。强调了多尺度建模（Multi-Scale Modeling）的重要性，即如何将量子计算的结果，通过介观模型，最终输入到工程学的设计流程中。我们展望了在极端环境（如高强度辐射、超高压）下，材料的结构稳定性与功能保持能力，并指出未来研究将更加依赖于计算材料学和高通量实验筛选的深度融合。本书面向具备一定物理、化学或工程学背景的读者，旨在提供一个深入、严谨且聚焦于科学原理的视角，来理解微观世界如何驱动宏观技术革命。