本书旨在向材料相关专业的高年级本科生、研究生和从事材料行业的科研人员介绍先进材料的合成与制备技术。本书共19章，其中既包括一些相对成熟的技术，如溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积、磁控溅射、蒸发沉积、提拉法晶体生长等在先进材料合成与制备中的新应用，又涉及近些年发展起来的材料合成、制备、加工领域的新技术和新工艺，如溶剂热法、高温油相法、微波合成、超声电化学法、限域合成、原子层沉积、原子层刻蚀、团簇束流沉积、激光脉冲沉积、分子束外延、纳米压印、3D打印和DNA自组装纳米技术等。本书包含材料合成与制备技术基本原理的介绍，同时突出材料的先进性和应用的前沿性，反映材料合成与制备技术中的一些**进展，是理论与实际应用的有机结合。
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目录
第1章 绪论 1
1.1 材料的发展历史 1
1.2 先进材料及其重要性 4
1.3 先进材料的合成与制备技术 10
参考文献 13
第2章 溶胶一凝胶法 14
2.1 概述 14
2.1.1 溶胶一凝胶法简介 14
2.1.2 溶胶一凝胶法的主要用途和基本流程 14
2.1.3 溶胶一凝胶法的优缺点 19
2.2 溶胶一凝胶法制备薄膜 20
2.2.1 制备氧化物薄膜 21
2.2.2 制备硫化物薄膜 24
2.2.3 制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜 26
2.2.4 制备有机一无机杂化薄膜 27
2.3 溶胶一凝胶法制备纳米晶 30
2.3.1 制备氧化物纳米晶 31
2.3.2 制备金属纳米晶 33
参考文献 34
第3章 水热和溶剂热法 38
3.1 概述 38
3.1.1 水热法 38
3.1.2 水热物理化学 39
3.1.3 水热技术类型 40
3.1.4 溶剂热法 42
3.2 水热和溶剂热法在纳米材料制备中的应用进展 43
3.2.1 金属、半金属及合金纳米材料的合成 44
3.2.2 二元氧族化合物纳米材料的合成 52
3.2.3 氮族和碳族化合物纳米材料的合成 58
3.2.4 多元化合物纳米材料的合成 60
3.2.5 介孔和介结构材料的合成 62
3.2.6 复合纳米材料的合成 63
3.3 水热和溶剂热法在材料合成中的应用展望 68
参考文献 68
第4章 高温油相法 72
4.1 概述 72
4.1.1 高温油相法简介 72
4.1.2 高温油相法的三要素 73
4.1.3 高温油相法的优缺点 74
4.2 高温油相法成核、生长与提纯机理 74
4.2.1 均匀成核基础 74
4.2.2 晶核的后续生长 77
4.2.3 分离提纯机理 81
4.3 半导体纳米颗粒的合成与形貌控制 83
4.3.1 量子点CdSe的合成 84
4.3.2 纳米棒CdSe的合成 86
4.3.3 四针状CdSe的合成 87
4.4 其他纳米颗粒合成 88
4.4.1 氧化物纳米颗粒合成 88
4.4.2 金属纳米颗粒合成 91
4.4.3 多元杂化纳米颗粒合成 92
参考文献 94
第5章 微波合成技术 98
5.1 概述 98
5.1.1 微波与物质的相互作用 98
5.1.2 微波技术的特点 99
5.1.3 微波技术的发展 100
5.2 微波在材料合成中的应用 101
5.2.1 微波合成的应用领域 101
5.2.2 微波促进反应的机理 102
5.2.3 微波合成中存在的问题 103
5.3 液相微波合成 103
5.4 固相微波合成 107
5.4.1 间歇微波法合成复合材料用于直接甲醇燃料电池 107
5.4.2 问歇微波法制备掺氮石墨烯用于质子交换膜燃料电池中的Pt催化剂载体 111
5.4.3 微波法合成超薄用于光催化还原 117
5.5 小结 123
参考文献 123
第6章 超声电化学法 127
6.1 概述 127
6.1.1 超声化学法 127
6.1.2 电化学法 129
6.1.3 超声电化学法的原理与特点 129
6.1.4 超声电化学法的分类 130
6.2 超声电化学法在纳米材料制备中的应用进展 132
6.2.1 纳米颗粒的可控制备 132
6.2.2 维纳米材料的制备 137
6.2.3 树枝状纳米材料的制备 141
6.2.4 多孔纳米材料的制备 144
6.2.5 微纳分级结构材料的制备 145
6.2.6 复合纳米材料的制备 146
6.3 超声电化学在材料合成中的应用展望 153
参考文献 154
第7章 限域合成技术 157
7.1 概述 157
7.2 模板合成 157
7.2.1 硬模板法合成 157
7.2.2 软模板法合成 170
7.2.3 气泡模板法 175
7.3 雾化热解法 177
7.4 纳米颗粒原位转换法 179
7.4.1 克肯达尔效应 180
7.4.2 离子交换法 183
7.4.3 电镀置换法 185
7.5 限域合成的优缺点 186
参考文献 187
第8章 化学气相沉积技术 191
8.1 概述 191
8.2 化学气相沉积原理 192
8.2.1 化学气相沉积定义 192
8.2.2 化学气相沉积中的化学反应 193
8.2.3 化学气相沉积中的化学热力学和动力学 195
8.2.4 化学气相沉积的特点与分类 196
8.3 化学气相沉积前驱体和材料 199
8.3.1 化学气相沉积前驱体的要求和种类 199
8.3.2 化学气相沉积材料 202
8.4 化学气相沉积与新材料 204
8.4.1 金属有机化学气相沉积生长LaAl03栅介电薄膜及其电学性能 204
8.4.2 新型无水金属硝酸盐化学气相沉积前驱体的合成、表征及其应用 208
8.4.3 聚焦离子束化学气相沉积在复杂三维纳米结构制备上的应用 214
8.4.4 化学气相沉积制备金刚石薄膜和碳纳米管 216
8.4.5 化学气相沉积制备二维材料石墨烯 220
参考文献 226
第9章 原子层沉积技术 231
9.1 概述 231
9.2 原予层沉积原理、特点及分类 231
9.2.1 原子层沉积原理 231
9.2.2 原子层沉积特点 235
9.2.3 原子层沉积分类 236
9.3 原子层沉积前驱体和材料 239
9.3.1 原子层沉积前驱体 239
9.3.2 原子层沉积材料 241
9.4 等离子体增强原子层沉积 242
9.4.1 等离子体增强原子层沉积原理 242
9.4.2 等离子体增强原子层沉积特点 243
9.5 原子层沉积应用 244
9.5.1 高k栅介质和新型半导体沟道材料的集成与性能 245
9.5.2 超高密度存储器 251
9.5.3 生物相容性涂层 259
9.5.4 纳米结构和图案的制备及其在能源与光学领域的应用 261
参考文献 265
第10章 原子层刻蚀技术 270
10.1 概述 270
10.2 原子层刻蚀原理与特点 270
10.2.1 基本原理 270
10.2.2 等离子体原子层刻蚀原理 272
10.2.3 热原子层刻蚀原理 275
10.2.4 原子层刻蚀特点 280
10.3 原子层刻蚀材料 281
10.3.1 等离子体原子层刻蚀材料 281
10.3.2 热原子层刻蚀材料 283
10.4 展望与挑战 283
参考文献 284
第11章 团簇束流沉积技术 288
11.1 概述 288
11.2 团簇束流的产生 290
11.3 团簇束流沉积制备纳米结构薄膜 296
11.3.1 团簇束流沉积纳米粒子薄膜制备技术 296
11.3.2 团簇束流沉积过程的在线监控 300
11.3.3 定向团簇束流沉积 302
11.3.4 团簇束流掠角沉积制备三维纳米粒子柱状多孔阵列 306
11.3.5 团簇束流沉积制备纳米合金 309
11.4 荷能团簇束流沉积 310
参考文献 313
第12章 脉冲激光沉积技术 317
12.1 概述 317
12.2 激光与靶的相互作用 318
12.2.1 概述 318
12.2.2 靶对激光的吸收及靶的熔化和气化 319
12.2.3 表面等离子体形成及与激光的相互作用 321
12.2.4 碰撞及喷嘴效应 323
12.2.5 蒸气及等离子体与靶表面的相互作用 328
12.3 羽焰的传输 330
12.3.1 概述 330
12.3.2 激光脉冲结束后表面等离子体的初始膨胀 331
12.3.3 烧蚀物传输的流体行为一一激波的形成和传输 332
12.3.4 激波的效应 335
12.3.5 沉积粒子速度的双峰现象 337
12.3.6 真空及低气压下烧蚀物对膜表面的再溅射效应 339
12.4 沉积粒子的化学状态、能量、沉积时间和空间分布 339
12.4.1 概述 339
12.4.2 沉积粒子化学状态 339
12.4.3 沉积粒子能量 341
12.4.4 沉积时间和沉积速率 343
12.4.5 沉积粒子的空间分布 343
12.4.6 脉冲激光沉积与分子束外延的比较 344
12.5 薄膜的形成及生长 344
12.5.1 薄膜生长的基本过程 344
12.5.2 脉冲激光沉积中薄膜生长的特征 345
12.5.3 薄膜取向控制 346
12.6 液体中的激光烧蚀 349
12.6.1 概述 349
12.6.2 液体中激光烧蚀对硅表面形貌的调制 349
12.6.3 液体中激光烧蚀制备纳米颗粒 350
12.7 总结和展望 352
参考文献 353
第13章 分子束外延 361
13.1 半导体分子束外延 361
13.1 概述 361
13.1.2 技术原理与系统构成 364
13.1.3 技术特点 366
13.1.4 分子束的产生 367
13.1.5 RHEED监控原理 369
13.1.6 新型纳米复合材料的分子束外延 370
13.2 激光分子束外延 371
13.2.1 概述 371
13.2.2 高气压RHEED监控 371
13.2.3 二维薄膜生长——逐层生长和台阶流生长 373
13.2.4 衬底处理 375
13.2.5 钙钛矿薄膜、超薄膜和超晶格制备 376
13.3 氧化物分子束外延 378
13.3.1 概述 378
13.3.2 同质外延生长SrTi03薄膜 381
13.3.3 异质外延生长SrTi03薄膜 384
参考文献 387
第14章 磁控溅射 390
14.1 溅射原理概述 390
14.1.1 溅射的工作原理 390
14.1.2 磁控溅射的工作原理 392
14.1.3 磁控溅射薄膜生长特点 393
14.1.4 溅射产额 395
14.2 磁控溅射技术 398
14.2.1 射频溅射与反应溅射 398
14.2.2 非平衡磁控溅射技术 400
14.2.3 高功率脉冲磁控溅射 402
14.3 磁控溅射应用于材料沉积的实例 404
14.3.1 磁控溅射Zn0薄膜的生长 404
14.3.2 磁控溅射铁氧体薄膜的生长 408
14.3.3 高功率脉冲磁控溅射AIN薄膜的生长 409
参考文献 411
第15章 蒸发沉积技术 414
15.1 蒸发沉积的物理基础 414
15.1.1 蒸发与凝结 414
15.1.2 蒸发物质的空间角分布 415
15.2 蒸发沉积膜层的生长与结构特性 416
15.3 平坦表面柱状微结构的蒸发沉积 417
15.3.1 表面扩散与柱状微结构薄膜生长 417
15.3.2 倾角沉积的微孔柱状微结构生长 418
15.3.3 预置图案化表面的微孔柱状微结构生长 420
15.3.4 微孔柱状结构薄膜的物理特性及其应用 421
15.4 微结构表面的蒸发沉积 422
15.4.1 蒸发沉积的台阶覆盖性能 422
15.4.2 定向沉积与沉积膜层的图案化 423
15.4.3 图案化沉积膜层的遮蔽蒸发沉积 424
参考文献 430
第16章 提拉法晶体生长技术 433
16.1 概述 433
16.2 提拉法简介 433
16.3 提拉法晶体生长理论 435
16.3.1 输运理论 435
16.3.2 热力学理论 440
16.3.3 动力学理论 441
16.3.4 晶体生长形态 442
16.4 提拉法晶体生长过程 447
16.4.1 提拉法晶体生长程序 447
16.4.2 影响晶体生长的因素 448
16.5 晶体结构与缺陷 451
16.5.1 晶体结构 451
16.5.2 晶体缺陷 452
16.6 提拉法晶体生长技术进展 455
16.6.1 自动等径控制技术 455
16.6.2 双坩埚连续加料技术 456
参考文献 457
第17章 纳米压印技术 459
17.1 纳米压印技术的发展 459
17.2 纳米压印技术的种类 461
17.2.1 热压印与紫外光固化压印 461
17.2.2 滚轴压印 462
17.3 纳米压印胶材料 463
17.3.1 紫外光固化纳米压印胶材料 463
17.3.2 双层纳米压印胶体系 465
17.4 纳米压印的技术挑战 466
17.4.1 纳米压印的缺陷与对准问题 466
17.4.2 纳米压印的工艺要求 467
17.4.3 纳米压印模板与低表面能处理 468
17.5 复合纳米压印技术 470
17.5.1 复合纳米压印模板 470
17.5.2 曲面压印 472
17.5.3 改善纳米压印缺陷 473
17.6 纳米压印技术的应用与前景 474
17.6.1 磁记录与存储器件 474
17.6.2 粒径单、形貌可控的纳米颗粒 476
17.6.3 有序金属纳米结构阵列 477
参考文献 479
第18章 金属3D打印技术及其粉体材料制备 482
18.13 D打印概述 482
18.1.13 D打印技术发展简介 482
18.1.23 D打印原理及基本流程 484
18.2 金属3D打印技术 487
18.2.1 金属3D打印技术分类及技术特点 487
18.2.2 激光选区烧结与熔化 488
18.2.3 电子束选区熔化 489
18.2.4 激光近净成形 491
18.3 金属3D打印材料 493
18.3.1 金属3D打印用粉体材料的要求 493
18.3.2 金属3D打印材料简介 496
18.4 3D打印用金属粉体材料的制备 500
18.4.1 水雾化法 501
18.4.2 气雾化法 501
18.4.3 超声雾化法 503
18.4.4其他制备技术 505
参考文献 507
第19章 DNA自组装纳米技术 511
19.1 概述 511
19.1.1 DNA的分子结构 511
19.1.2 DNA纳米结构的设计与合成 512
19.1.3 DNA纳米结构的自组装 512
19.1.4 DNA纳米结构的表征 513
19.2 DNA自组装纳米结构 513
19.2.1 DNA分子瓦二维结构自组装 514
19.2.2 DNA分子瓦三维结构自组装 516
19.2.3 DNA折纸术 518
19.2.4 DNA折纸术二维结构自组装 519
19.2.5 DNA折纸术三维结构自组装 520
19.3 DNA自组装结构的动态变化 522
19.3.1 链置换反应驱动DNA结构变化 522
19.3.2 环境因素驱动DNA结构变化 525
19.4 DNA纳米结构的应用 527
19.4.1 DNA纳米结构引导的纳米材料定向组装 527
19.4.2 DNA纳米结构的生物医学应用 531
参考文献 532
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