纳米传感器--物理、化学和生物传感器 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

　　本书是一部内容丰富、易读易用的纳米传感器论著。首先介绍纳米传感器的分类和基础术语，然后概述纳米传感器加工中所运用的重要纳米材料和纳米技术的性能和特性以及纳米传感器实验室，并按照传感器类型系统地介绍纳米机械传感器、热纳米传感器、光学纳米传感器、磁纳米传感器、纳米生物传感器、化学纳米传感器的原理及如何利用物理、化学、生物等不同方法对检测量进行探测，为广大科研工作者提供全面的参考资料。本书可供从事微纳传感器件设计、加工及测试的广大MEMS/NEMS科研工作者使用，也可供相关专业大专院校师生阅读。

《纳米科学与技术》丛书序

作者简介

前言

致谢

主译简介

译者的话

第1章 纳米传感器概论

第2章 纳米传感器材料

第3章 纳米传感器实验室

第4章 纳米机械传感器

第5章 热纳米传感器

第6章 光学纳米传感器

第7章 磁纳米传感器

第8章 纳米生物传感器

第9章 化学纳米传感器

第10章 纳米传感器发展趋势

索引

　　康纳（VinodKumarKhanna）于1975年获得勒克瑙大学（UniversityofLucknow）理学硕士学位，1988年获得古鲁格舍德拉大学（KurukshetraUniversity）博士学位，博士论文题为Development，CharacterizationandModelineofthePorousAluminaHumiditySensor（《多孔氧化铝湿度传感器的研发、表征与建模》）。1980年4月21日，他加入了CSIR—CEERI固体器件分部。在过去30余年里他主要从事功率半导体器件和传感器等各种固态设备的设计、制造和表征工作。他一直积极参与薄膜湿度传感器、高压TV偏转晶体管、交流电动机驱动器的功率达林顿管、快速整流晶闸管、大电流高电压整流器、中子剂量探测器二极管、功率DMOSFET和IGBT、PMOSFET伽马射线剂量计、基于微机电系统（MEMS）技术的微传感器、离子选择性的场效应晶体管（ISFET）、基于化学和生物传感器的离子选择性场效应晶体管、电容性MEMS超声换能器（cMUT）、声学传感器、压力传感器、微悬臂、MEMS陀螺仪、MEMS热板气体传感器等不同项目的研究和开发。康纳博士的海外经历包括：1986年，在美国科罗拉多州丹佛市IEEE工业应用学会年会上展示研究论文；1999年，德国达姆施塔特工业大学，CSIR—DLR合作项目；2008年，德国库尔特-施瓦贝测量与传感技术研究所，CSIR—DAAD交换科学家项目；俄罗斯新西伯利亚无机化学研究所（1nstitute0fInorganicChernistry）的印度一俄罗斯工作室，印度代表团成员之一。他著有六本书，其中的《IGBT理论和设计》已经在2003年由新西兰IEEEPress／Wiley—Interscience出版。他还发表了115篇知名国际／*期刊研究论文和会议论文，并且还拥有三项专利。康纳博士是印度电气和电信工程师协会的会士、印度物理学会（IPA）的终身会员；担任1PA彼拉尼分会主席，也是印度半导体协会和印度一法国技术协会的终身会员。入编《科学工程名人录》、《亚洲名人录》等。他的专业领域是功率半导体器件、MEMS和微传感器。他在csIRCEERI担任首席科学家。

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第1章纳米传感器概论

1.1纳米传感器入门

本书的主题是物理、化学以及生物的纳米传感器。碰到这几个概念，人们首先

会提出这样的问题:①什么是纳米技术?②什么是纳米传感器?③物理、化学、生

物这些术语各自的涵义是什么?与纳米传感器连在一起又代表什么意思?本章的

开头首先就要解决这些问题。

显而易见，纳米传感器的研究始于物理学、化学、生物学以及纳米技术中的基

本概念。本章还会引入半导体电子学的内容。同时还会给出重要名词术语的定

义。这些将为读者理解相关主题奠定初步基础，同时也会帮助读者建立起在阅读

本书的过程中将会遇到的纳米技术新词新语的词汇库。本书只是选择性地对一些

有趣的物理、化学以及生物纳米材料和现象进行追述，而没有面面俱到地对该领域进行彻底描述，以此凸显该领域的跨学科特性。

本书还将阐释传感器从宏观到微观再到纳米量级的发展动力。随后，论及纳

米传感器这一飞速发展的领域，以便读者熟悉不同类型的纳米传感器，通过探讨其基本原理以及分类，为理解后面的章节奠定基础。同时，也会介绍本书的主要内容和整体架构。

首先，让我们来回顾一下基本的自然科学知识。

1.2自然科学

什么是自然科学?自然科学是有关自然界和物质世界的系统化知识。它是一

门科学，诸如生物学、化学、物理学以及地球科学，是研究自然界和物质世界物体、

现象以及定律的科学(BrokerandBoysen，2008)。

1.3物理学

1.3.1物理学的定义

物理学是一门研究物体间作用力、物质与能量的相互关系及相互作用的科学(Daintith，2010)。

1.3.2物理学的分支

物理学有哪些不同的分支呢?物理学主要分为经典物理学和现代物理学。其

中，经典物理学包括力学、物性、热学、光学、声学、电学以及磁学，现代物理学包括

原子和核物理学、低温物理学、固体物理学、粒子物理学以及等离子物理学等。

1.3.3物质的状态、材料及粒子

物质的特性是具有质量并占据一定的空间，如空气、水、金、铁以及木材等。如

果物质是以固体的形式存在，则它具有特定的体积和形状，如一个铜块；液体只有

特定的体积，却没有固定的形状，如牛奶和果汁；气体既没有特定的体积也没有固

定的形状，如氮气和氧气；而等离子体则是由几乎相同比例的正离子和自由电子混合而成。

材料是物质，常用来制造物品，是手工制造业的原料。粒子是材料极其微小的一部分。

1.3.4分子、原子以及原子结构

分子是物质、元素(不能再分解成更简单的物质)或者化合物(由两种或两种

以上简单物质构成)中保留物质化学性质的小粒子。原子是某种元素参加化

学反应的小部分或粒子，它拥有这种元素的所有化学特性并且地定义这

种元素。

是不是说每一个独立的原子或者分子就具有了块体材料的物理特性呢?答案

未必如此，因为块体材料中存在分子间作用力，单个原子或分子一旦处于块体材料中，就会受到邻近原子或分子的影响，不能再自由运动。

那么原子是小的粒子吗，抑或是还有更小的粒子存在?当物质被分解之后，

我们发现原子并不是组成物质的小粒子，仍然有更小的粒子存在。那么，原子的

结构是什么?如图1.1所示，原子是由原子核以及它周围一个或多个电子组成。

电子的相对静止质量me

为9.1066×10-31kg，带有一个单位的负电荷，其电荷量

为1.602×10-19C。原子核带正电，由一个或者多个相对较重的粒子组成，我们称

之为质子和中子。质子带正电，它在原子核中的数量等于化学元素的原子序数，相

对静止质量mp大约为1.673×10-27kg；中子呈电中性，相对静止质量mn

大约为1.675×10-27kg。

原子核中质子的数目就是它的原子序数Z，原子核中质子和中子的总数组成

了原子质量数、原子质量A或者相对原子质量。对于任何一种元素，其原子的平

均原子质量与一个碳-12同位素原子质量的1/12的比值称为该原子的相对原子

质量。同位素是指具有相同的原子序数，但原子质量不同的一个或多个原子。碳-12原子质量的1/12称为原子质量单位(u)，它的质量为1.66053892×10-27kg。

在自然存在形式下，分子的平均分子质量与一个碳-12原子质量的1/12的比

值称为元素或化合物的相对分子质量或分子质量，它等于组成该分子的所有原子

的相对原子质量的总和。

1.3.5力学

力学是物理学的分支，它是一门阐述力作用于物体并使其运动的科学。这门

科学起源于牛顿力学，描述的是基于牛顿三大运动定律的物体的平移和旋转运动；

扩展到液体和气体又产生了流体力学、基于分子运动的统计力学以及涉及亚原子

颗粒运动的量子力学。量子是物理量变化的、离散的小单元。

一个物体的位置是由它的三维坐标(x，y，z)所确定的。物体位移是指它在特

定方向上运动的距离。速度是指单位时间内的位移。质量是指物体所含物质的多

少，其大小与加速度成反比。加速度是指物体速度的变化率。动量是指物体质量

和速度的乘积。力是改变物体速度和运动方向的根本原因。

物体所受合力=物体质量×物体加速度

物质的密度是指单位体积内物体质量的多少；流体的黏度是指两液层单位流

速梯度上单位面积间所产生的作用力。

压强是指单位面积上物体所受的力；应力是指作用在单位横截面积上促使物

体产生形变的力；应变是指物体特定方向上尺寸的变化(如长度的变化)与其原始

尺寸(如原始长度)的比值；作用在材料上的应力与产生应变的比值称为材料的弹

性模量(E)。

能量(E)是指一个物理系统做功的能力；功率是指做功的效率；势能是指物体

相对于其他的物体因位置优势而具有的能量，如山顶上的大石头因为其位置高于

地面而具有的重力势能；动能是指物体由于运动而产生的能量，如一辆运动着的火车所具有的能量。

一个系统的拉格朗日算符(符号犔)为犔=犜-U，犜为系统的动能，U为系统

的势能。而系统的哈密顿量(符号H)则是用来描述与其动量和位置坐标相关的

能量的函数，简单地说，它是动能和势能的总和。

波是指空间和介质中的一个周期性的扰动。波有两种形式:纵波(扰动方向与

波的传播方向相同)和横波(扰动方向与波的传播方向垂直)。波长是指纵波中相

邻两个密部或疏部之间的距离(或者横波中两个相邻波峰或波谷之间的距离)；频

率是指波每秒钟传播的周期数，通常用Hz表示。周期是频率的倒数。振幅是指

扰动量偏离平衡位置的值。

量子力学与经典力学之间存在两个基本的差异:

1.量子系统中的参数，例如，电子的位置和动量受其测量行为所影响，这就是

“不确定性原理”。粒子在x轴方向上位置和动量同时测量的不确定性表现为

其中，h为普朗克常量。

2.量子系统中的参数不用精确的数值表示，而是用概率分布表示。这恰恰是

因为电子可以同时充当粒子和波，这个概念被称为波粒二象性。一个质量为m的

粒子以速度狏运动时，其波长可表示为对于原子中的电子运动来说，原子轨道和分子轨道的理论正是起源于此(见1.4.9节)。

粒子的波函数或者本征函数ψ(x，y，z)是关于粒子空间坐标的数学表达，即

该函数在某点的值的平方|ψ|2正比于在该点周围的一个小体积元dxdydz

内找到这个粒子的可能性。每一个粒子允许的波函数都有一个能级与之相对应，

我们称之为本征值。这个波函数就是薛定谔方程的解，它的定常表示形式为

其中，m为粒子的质量；E为粒子的总能量；U为粒子势能。

1.3.6热学

热或热能是指物体原子或分子振动、转动或平移过程中所产生的能量。它从

一个位置转移到另一个位置，有三种模式:①传导(通过连续的碰撞使热量从高动

能分子传递给相邻的低动能分子)；②对流(大量高动能分子从高温区到低温区的

运动)；③辐射(以电磁波的形式向外扩散，不需要任何介质材料)。

温度可以衡量物体的冷热程度，也是物体分子的平均动能。零度是理论

上可以达到的温度，等于-273.15℃或者0K，在这个温度，所有原子的运动

全部停止。但该温度是不可能达到的，因为这需要无限多的能量。

物质的比热容是指单位质量的物质温度升高1℃所要吸收的热量。潜热是指

在温度保持不变的条件下，单位质量的物质从一个相转变为另一个相的过程中所

吸入或放出的热量。

热能可以用千卡(kcal)来度量，质量为1kg的物质升高1℃所需要的热量为

1kcal，热量=质量×比热容×温度升高值。1kcal=4.1868×103J。

1.3.7声学

声或声能是振动物体所产生的能量。它以一种纵向压力波的形式在介质中传

播，这个纵向压力波由同一传播方向上的密部与疏部组成。

声音的传播需要介质材料，不同介质中传播速度各不相同。介质中声速的大小

等于该介质弹性体积模量与密度比值的平方根。在空气中，声速是330m?s-1。人

耳可分辨的声音频率介于20Hz至20000Hz之间。次声波的频率低于20Hz，超

声波的频率高于20000Hz。超声波通常用作金属的无损探伤，也可用作妊娠期

的医疗诊断(X射线对妊娠期可能存在危害)。

分贝(符号dB)在声学中是用来描述功率比值的无量纲单位。对于功率P2

和P1，二者的功率比用分贝为单位可以表示为10log10(P2/P1)。

1.3.8光学

光能为波长在400~750nm的可见电磁辐射能所产生。光可以像波一样传

播，真空中光速为3×108m?s-1。同时，光也可以作为离散能量包或者光子进行

传播。

反射是指光在两种媒质的边界发生弹回或者偏离的过程。折射是指光从一种

介质斜射入另一种密度不同的介质时，传播方向在媒质交界处发生偏折的过程。

光在真空中的速度与在介质中的速度的比值称为介质的折射率。色散是指复合光

分解为单色光的现象。光的衍射是指光在传播过程中，遇到障碍物或小孔(窄缝)

时，离开直线路径绕到障碍物背后的现象。偏振是指光波在某一方向上的电矢量

振动受限制的过程。对于非偏振光，电场矢量在垂直于波传播方向的所有方向上

振动。

荧光是指材料被电磁波照射时会发光的现象，它可以持续几微秒。磷光是一

种类似的现象，但它可以持续几分钟。

1.3.9电学

电能是带电物体所具有的一种能量形式。如果一个物体与另一个物体摩擦后

能够吸引轻物体(如纸片、毛发等)，我们就说这个物体带了电。用丝绸摩擦过的玻

璃棒带正电，而用毛皮摩擦过的橡胶棒则带负电。异种电荷相互吸引，同种电荷相

互排斥。电场是一种通过电荷施加力的空间区域。电场空间中某点的电场强度

(E)被定义为单位点电荷在该点所受到的静电力。电流(I)是指电荷的定向移

动，其大小取决于电荷定向移动的速率，即单位时间内流过与电流方向垂直横截面积的电荷量。电路是指电流流过的闭合回路。电场中某点的电势V是指将一个

单位正电荷从无穷远处迁移到该点时电场力所做的功；而电势差(ΔV)则是指将

一个单位正电荷从一个点移到另一个点电场力所做的功。

电位移是指电场中垂直于电场方向的单位面积上电荷的位移。介电常数是电

位移与电场强度的比值。材料的相对介电常数是指材料本身的介电常数与真空的

介电常数的比值。位移电流是指绝缘体(一种不导电的材料)中电荷的位移速率。

以一个恒定的速度及方向流动的电流称为直流电(DC)。大小和方向周期性地改

变的电流称为交流电(AC)。

物体的电阻是指它阻碍电流流动的能力。电导是电阻的倒数，材料的电阻率

是指单位立方体材料的电阻，电导率是电阻率的倒数。电阻器是电路中一种给定

阻值的电路元件。

导体的电容量是指单位电势上能够荷载的电荷量。电容器是存储电荷的电路

元件，可以在电路中提供一个固定的或者可变的电容。平行板电容器是由两块中

间用绝缘体隔开的独立金属板组成。

导体由于自身电流(自感)改变或者相邻电路电流(互感)的改变而产生的感应

电动势称为电感。电感器是一个给定感应系数的电路元件，它通常是由缠绕在磁

芯上的线圈组成。一个电路的阻抗是指电路中所有的电阻器、电容器(以容抗的形

式XC=1/ωC)以及电感器(以感抗的形式XL=ωL)的共同作用而产生的。

1.3.10磁学

磁能是与磁体相关的能量。磁体是指能够吸引铁或者类似材料的磁性物质，

如一块铁、钢、合金或者矿石等。磁场是磁极周围可以感知到磁场力作用的区域。

磁极是磁体可以产生磁场力

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