本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。作为纳米科技的基础教材，本书系统地介绍了纳米科技的内涵，即纳米物理、纳米化学、 纳米测量学、纳米机械学、纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学及其应用等。同时对所涉 及的量子物理、统计物理、固体物理、介观物理、配位化学等相关基础理论也进行了简要的 回顾。本书配有电子课件。 本书可供高等理工各专业本科生作为教学用书，也可作为普及纳米科技知识的基础教程，还可 供相关科技人员参考。

序 纳米科技是从20世纪80年代末、90年代初开始发展起来的新兴科学。十几年来，纳米科技 受到了世界各国的高度关注，得到了迅猛发展，目前已广泛应用于材料、信息、能源、环境 、生命、军事等领域。 我国政府和科技教育界高度重视纳米科技研究，特别是在纳米材料方面已取得了重要进展 ，引起了国际上的关注。在此基础上，国家科学技术部和教育部等五部委印发了《国家纳米 科技发展纲要(2001～2010)》，对纳米科技研究和应用所面临的机遇与挑战、指导思想和原 则、目标和任务、政策和措施等作了深入分析和具体规划。在此形势下，中国矿业大学积极 响应五部委的通知要求，组织编写了《纳米科技》教程，开设了纳米科技选修课，并配备了 相应的姐妹课——纳米科技实验课，取得了较好的效果，受到全校师生的欢迎。 本书主编杨志伊教授是博士生导师，曾被评为“国家有杰出贡献的中青年专家”和“有突 出贡献的优秀归国留学人员”，并于1991年起享有政府特殊津贴。她治学严谨，重视基础理 论的研究和教学，积极探索，勇于 创新，多年来一直从事矿山机械领域的教学、科研和学科建设工作，其中1982年1月至1984 年1月在美国俄亥俄州立大学做访问学者。她不顾年岁已高，大胆涉猎纳米科技这一科技领 域，并取得了丰硕成果。本书就是她在近两年教学实践的基础上取得的一项可喜成果。在本 书中，作者对纳米科技内涵、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械 学、纳米摩擦学、纳米材料学以及相关领域作了较深入的介绍。本书的出版，必将为我国高 等教育普及纳米科技知识，有效地推动这一学科领域的可持续发展和人才培养起到积极作用 。 值此书出版之际，特作序言表示祝贺，并向广大读者热心推荐。 中国工程院院士、中国矿业大学校长 ◇纳米科技 第2版前言 Ⅳ 第2版前言 本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。自第1版出版以来，作为高等学校教材已经起到了非常好的作用及明显的教学效果。纳米科技是一门新型科技，创造发明和新成果不断出现，现国内外都将纳米科技作为重点发展领域，因此将其作为一门课程培养学生具有长远意义。 此次修订是在基本保持第1版教材体系的基础上，补充了近几年的技术成果，对上一版中不确切之处进行了改写，个别部分进行了重写，并注重理论联系实际，加强了纳米科技在各领域应用的实例介绍，争取进一步满足高等学校的教学要求。本课程讲授的学时数为54（或64）学时，实验课学时数为10~16学时。 本书由杨志伊担任主编。全书分为上、下两篇共八章。前四章为上篇，讲述纳米科技基础；后四章为下篇，讲述纳米科技应用。第一章至第四章由杨志伊编写，第五章至第七章由刘书进编写，第八章由刘同冈编写，全书多媒体课件由陈军制作。本书由王新林教授、朱红教授审阅，并提出了许多宝贵意见，在此一并表示感谢。 由于水平所限，加之本书涉及范围较广，错误与不当之处在所难免，恳请读者批评指正。 编者 于中国矿业大学

第1版前言
纳米科技是20世纪90年代兴起的一门新兴交叉学科，很快受到世界各国的重视，得以迅速
发
展。目前，纳米科技所取得的成果足以让整个社会为之震撼，使人类进一步认识了物质规律
，掌握了改造微观世界的武器。纳米科技主要涵盖了物理学、化学、材料与制造、电子及计
算技术、医药与
健康、航空与太空探测等领域。我国著名科学家钱学森毫不夸张地说：“纳米科技
是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命。”它的重要意义
已受到国内外科技教育界的广泛认同。
为了贯彻由教育部、科技部等五部委下发的《国家纳米科技发展纲要（2001～2010）》
和落实“要从学校教育抓起，……在物理、化学、生物、机械、电子学、计算机科学等专业
内部设置有关纳米科技的新课程。”的要求，迎接21世纪的科技新发展，适应纳米科技迅
速发展对人才的需求，我们编写了供本科生用的《纳米科技》教材。本书在内容上力求加强
基础理论的教学，使读者全面理解纳米科技内涵。即从普通物理、量子物理知识出发过渡
到介观物理和纳米物理，使读者能正确理解和认识物质在纳米尺度的新现象、新规律；又从
纳米化
学角度介绍了纳米粉体、纳米薄膜、纳米块体的制备方法，特别强调了表面修饰和改性的重
要性以及它们的应用；同时本书还讲述了纳米尺度的检测与表征，介绍了纳米科技在生物、
电
子、机械及其他领域的研究与应用情况。通过对本书的学习，使学生能对纳米科技的理论、
技术、工艺、应用有较全面的正确了解，避免商业炒作时对纳米科技的歪曲和影响。
在本课程讲授过程中，除本教材所述内容外，还配合开设了相关的实验课，它们是：①
化学共沉积法纳米粉体的制备；②纳米粉体超顺磁性能测试；③纳米材料的应用（纳米塑料
的制备）等。本课程学时数以64学时为宜，其中10学时为实验课。
本书由杨志伊主编。全书共分八章，前四章为基础知识部分，后四章为纳米科技的几大研
究领域。第一章至第四章由杨志伊编写，第五章至第七章由刘书进编写，第八章由刘同冈编
写。同时，应感谢刘耀福和程玉生在编审过程中提出的宝贵建议和付出的辛勤劳动。
由于书中涉及范围较广，编写中定有许多不足，错误与不当之处在所难免，敬请读者指正
。
编者
于中国矿业大学



纳米科技◇

目录
◇纳米科技

目录





Ⅵ



目录

序
第2版前言
第1版前言
上篇纳米科技基础
第一章总论1
第一节纳米科技的研究意义和基本内涵1
一、纳米科技的研究意义1
二、纳米科技的基本内涵2
三、纳米科技的研究方法5
第二节纳米科技的国际竞争及发展态势5
一、纳米科技的国际竞争态势5
二、纳米科技实用化的时间预测9
第三节我国纳米科技发展纲要简介10
一、机遇与挑战10
二、指导思想与发展原则11
三、目标和任务12
四、政策和措施15
第二章纳米体系物理学17
第一节量子物理基础17
一、从经典物理到量子物理17
二、波粒二象性和德布罗意波20
三、波函数、波动方程和不确定关系20
四、势阱中的粒子、势垒24
五、氢原子问题29
六、电子的自旋、原子的电子壳层结构30
七、能带31
第二节多粒子系统及量子统计32
一、热力学基本知识32
二、多粒子系统和统计物理33
三、量子统计简介37
第三节金属的自由电子40
一、经典理论40
二、金属自由电子的能量与波函数41
三、k空间和态密度44
四、电子在允许状态上的分布45
第四节介观物理46
一、介观系统和介观物理46
二、介观物理典型成果47
第五节纳米材料体系物理50
一、电子能级的不连续性51
二、量子尺寸效应52
三、小尺寸效应53
四、表面效应56
五、量子隧穿效应57
思考题57
第三章纳米化学59
第一节纳米粉体的制备及与其他物质间相容性的改善60
一、纳米粉体的团聚问题和表面修饰60
二、纳米微粒制备62
三、纳米材料表面修饰以改善同其他物质之间的相容性68
第二节超分子体系与分子自组装技术69
一、超分子体系69
二、分子自组装技术71
三、富勒烯——C6073
四、碳纳米管75
第三节纳米化学性质78
一、纳米粒子的催化作用79
二、光催化作用及半导体纳米粒子光催化剂80
第四节纳米薄膜81
一、纳米薄膜的制备81
二、纳米薄膜的应用84
三、LB膜技术及其应用86
第五节纳米块体材料89
一、纳米块体的制备89
二、纳米块体材料的结构特点91
三、纳米块体材料的性能92
思考题101
第四章纳米测量学和纳米材料的表征102



Ⅵ



第一节超细粉体测试技术102
一、粒度的表征102
二、粒度及表面形状测量技术104
三、粒子表面电性能测量及Zeta电泳仪107
第二节电子光学表面分析方法在纳米测量中的应用108
一、低能电子衍射（LEED）109
二、电子显微镜和电子探针109
三、俄歇电子谱110
四、离子探针
五、原子探针和场离子显微镜111
第三节扫描隧道显微术113
一、扫描隧道显微镜(STM)114
二、原子力显微镜（Atomic ForceMicroscopy，AFM）115
第四节近场光学显微镜117
一、基本原理
二、基本构成
三、应用
第五节纳米结构表征与检测
一、纳米结构的表征
二、我国进展情况
三、展望
思考题119
下篇纳米科技应用
第五章纳米机械学120
第一节微机械的发展历程121
一、纳米机械学的概念
二、纳米机械学的研究范围
三、纳米机械学的组成
第二节纳米机械学的范畴与组成123
第三节微机械的特性及超微加工技术125
一、微机械的特性125
二、超微加工技术126
第四节纳米摩擦学131
一、纳米摩擦学产生的背景和影响因素131
二、纳米摩擦学的研究方法132
三、纳米摩擦学的主要研究内容133
四、微观摩擦134
五、零摩擦状态135
六、纳米级薄膜润滑136
七、微观磨损与纳米加工139
第五节纳系统技术
一、简单概述
二、纳机械
三、纳电子器件和系统
四、纳流体器件和系统
五、生物纳系统
第六节纳米机械学研究展望139
一、纳米机械研究现状139
二、纳米机械学的研究方向140
思考题141
第六章纳米生物学142
第一节引言142
第二节纳米生物学中生物大分子的结构和功能的研究144
一、脱氧核糖核酸（DNA）
二、基因工程（遗传工程）
第三节纳米医学146
一、引言
二、纳米科技在医学方面的应用
第四节生物计算机150
一、生物计算机的研究目的和国外进展
二、生物计算机的特点
三、生物分子计算机的基本原理
四、生物分子计算的基本思想
第五节纳米生物机械
一、分子电机
二、典型的分子电机
三、纳米生物机械
第六节生物芯片技术152
一、概述
二、生物芯片技术的主要内容
三、发展情况
思考题154
第七章纳米电子学155
第一节微电子技术发展的限制155
一、光刻技术的限制
二、电子行为的限制
三、功耗的限制
第二节纳米电子技术的主要领域156
一、纳米电子学理论156
二、纳米电子器件157
三、纳米电子材料及其组装技术161
第三节分子电子学
一、引言
二、典型的分子电子器件
三、主要困难
第四节纳米电子技术发展概况162
一、国外纳米电子技术的发展
二、我国纳米电子技术的发展
思考题166
第八章纳米科技在其他领域中的应用167
第一节纳米塑料167
一、纳米塑料的制备方法167
二、纳米塑料的性能171
三、典型纳米塑料举例173
第二节纳米陶瓷176
一、纳米陶瓷的制备工艺176
二、纳米陶瓷的结构和性能178
三、纳米陶瓷的应用180
第三节纳米复合涂料181
一、纳米复合涂料的分类和功能182
二、纳米复合涂料实例185
第四节纳米复合纤维186
一、紫外线防护纤维186
二、远红外功能纤维190
三、抗菌防臭和除臭纤维195
第五节纳米磁性液体198
一、磁性液体的组成198
二、磁性液体的制备199
三、磁性液体的特性201
四、磁性液体在工业上的应用202
第六节纳米晶太阳能电池
一、纳米晶光电化学太阳能电池
二、纳米晶固体半导体光伏电池

第七节纳米技术在军事领域中的应用208
一、纳米新材料在武器装备中的应用208
二、纳米隐身技术212
三、纳米技术支撑下武器装备的微型化和智能化213
思考题215
参考文献216