Towards the Synthesis of Micro-/Nano-Systems pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Springer Verlag

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

出品人:

頁數:356

译者:

出版時間:

價格:139

裝幀:HRD

isbn號碼:9781846285585

叢書系列:

圖書標籤:

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

深入探索材料科學與工程的前沿：麵嚮微納尺度係統構建的物理與化學基礎 本書精要： 本書旨在為材料科學傢、工程師、物理學傢和化學傢提供一個全麵且深入的框架，用以理解和掌握構建微米和納米尺度係統的關鍵科學原理與技術挑戰。重點關注在這些尺度下，材料的性能如何因尺寸效應而發生根本性轉變，並詳細闡述如何利用這些獨特的性質來設計、製造和錶徵新型功能係統。全書內容涵蓋瞭從基礎的量子效應、錶麵物理化學到先進的自組裝技術、精密加工方法，以及在能源、生物醫學和信息技術等交叉領域的具體應用案例。 第一章：微納尺度的物理學與材料特性 本章奠定瞭理解微納係統構建的理論基礎。首先，我們深入探討瞭尺寸效應在材料科學中的核心地位。當材料的特徵尺寸進入微米和納米量級時，宏觀尺度下被忽略的諸多物理現象變得至關重要，特彆是錶麵能、量子限域效應和介觀傳輸現象。 錶麵與界麵效應的統治性影響： 詳細分析瞭在納米尺度下，材料的錶麵原子百分比急劇增加所帶來的催化活性、潤濕性及化學反應性的顯著改變。討論瞭錶麵自由能的計算模型及其對納米顆粒形貌演化和穩定性的影響。 量子限域與電子結構： 重點剖析瞭量子點、納米綫等結構中，電子能帶結構如何因空間約束而發生重構，從而導緻光學吸收和發射光譜的藍移現象。引入瞭有效質量近似模型，並探討瞭量子限製效應對半導體材料電學性能的調控。 介觀輸運現象： 考察瞭電子、熱量和自鏇在微納結構中的非連續性輸運機製，包括電子的彈道輸運、量子電導的齣現，以及熱導率在納米尺度下的顯著下降，為設計高性能納米電子器件和熱管理係統提供瞭理論支撐。 第二章：微納結構的設計與錶徵技術 有效的係統構建離不開精確的設計工具和高分辨率的錶徵手段。本章聚焦於將理論轉化為可操作的結構，並驗證其真實形貌與功能。 自下而上策略：分子自組裝與模闆誘導成核： 詳細闡述瞭如何利用分子間作用力（如範德華力、氫鍵、π-π堆積）驅動納米結構有序排列的過程。討論瞭受限空間中的成核與生長動力學，特彆是液相外延和溶膠-凝膠法在形成多級結構中的應用。此外，探討瞭生物分子（如蛋白質、DNA）作為構築塊在構建復雜功能超材料中的潛力。 自上而下策略：精密加工技術： 深入分析瞭光刻技術（包括紫外光刻、極紫外光刻EUVL）的分辨率極限與關鍵工藝參數控製。重點介紹瞭電子束光刻（EBL）在亞十納米特徵製造中的優勢與挑戰，以及聚焦離子束（FIB）在材料去除和局部改性方麵的應用。對乾法刻蝕（反應離子刻蝕RIE、深反應離子刻蝕DRIE）的各嚮異性和選擇性進行瞭詳盡的比較分析。 先進錶徵技術： 強調瞭高空間分辨技術在微納係統研究中的不可替代性。詳細介紹瞭透射電子顯微鏡（TEM）在高分辨率成像、晶格缺陷分析和元素微區分析（EDS/EELS）中的操作原理和數據解讀。同時，討論瞭原子力顯微鏡（AFM）在錶麵形貌、力學性能測量以及納米操作中的實際應用。 第三章：微納係統中功能材料的界麵控製 微納係統的功能性往往由不同材料間的界麵性質決定。本章側重於如何精確控製材料的異質結構界麵以實現特定的電、磁或光學響應。 薄膜生長與異質結構建： 探討瞭物理氣相沉積（PVD，如濺射、脈衝激光沉積PLD）和化學氣相沉積（CVD）在生長高質量、晶格匹配或失配的薄膜方麵的優缺點。重點分析瞭應變工程在調控功能材料（如鐵電體、磁性材料）電子相變和磁各嚮異性中的作用。 錶麵功能化與化學修飾： 闡述瞭如何通過化學鍵閤（如矽烷化、點擊化學）在納米顆粒或基底錶麵引入特定的官能團，以實現對生物分子或特定離子的選擇性捕獲或耦閤。討論瞭錶麵等離子體共振（SPR）現象及其在生物傳感中的應用。 多孔材料的結構調控： 深入研究瞭介孔材料（如沸石、MOFs）的孔徑分布、比錶麵積與傳質速率之間的定量關係。分析瞭通過精確控製孔道結構來優化吸附、分離和催化效率的策略。 第四章：微納係統的集成與應用範例 構建微納係統不僅需要製造單個組件，更需要將這些組件集成到一個可操作的裝置中。本章通過具體的案例研究，展示瞭微納製造技術在解決實際工程問題中的強大能力。 微機電係統（MEMS）與傳感器原理： 概述瞭基於矽材料的微結構設計，如懸臂梁、扭轉擺和薄膜諧振器的工作原理。詳細分析瞭電容式、壓阻式和靜電驅動的傳感機製，並探討瞭如何通過優化結構剛度和阻尼來提高傳感器的靈敏度和穩定性。 微流控芯片與生物分離： 介紹瞭利用微米級通道來精確控製液體流動、混閤與分離的技術。討論瞭層流和湍流在微通道中的差異，以及如何利用電泳、慣性聚焦等物理效應實現高通量的單細胞分析和微反應器設計。 納米能源器件的界麵優化： 分析瞭在鋰離子電池電極、燃料電池催化劑層及太陽能電池活性層中，納米結構如何通過增加反應錶麵積和縮短電荷傳輸路徑來提升整體性能。探討瞭電極/電解質界麵的阻抗行為及其對器件壽命的影響。 結論與展望 本書總結瞭當前微納係統構建領域的核心挑戰，包括批次穩定性、大規模製造的成本控製，以及跨尺度模型驗證的復雜性。展望未來，本書強調瞭人工智能與機器學習在加速新型材料篩選和工藝參數優化中的關鍵作用，並預示瞭柔性電子、可穿戴設備以及按需製造技術將成為下一代微納係統研究的焦點。 目標讀者： 本書適閤作為高等院校材料科學、化學工程、物理學、電子工程專業研究生及高年級本科生的教材或參考書。同時，也是從事相關領域研發工作的工程師和科研人員的寶貴資源。讀者應具備基礎的物理化學和固體物理知識。

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