纳米半导体材料与器件

第1章 绪论
1.1 纳米半导体材料的定义
1.2 纳米半导体材料的基本特性
1.2.1 量子尺寸效应
1.2.2 小尺寸效应
1.2.3 表面与界面效应
1.2.4 量子隧穿效应
1.2.5 库仑阻塞效应
1.2.6 量子干涉效应
1.2.7 二维电子气和量子霍耳效应
1.3 纳米半导体材料的特殊性质
1.3.1 光学特性
1.3.2 光催化特性
1.3.3 光电转换特性
1.3.4 电学特性
1.3.5 表面活性与敏感特性
1.4 纳米半导体技术对各个领域的影响
1.4.1 纳米电子学与纳米半导体电子器件
1.4.2 纳米半导体光电子器件
1.4.3 纳米能源技术
1.4.4 环境纳米技术
1.4.5 纳米传感技术
1.4.6 纳米生物技术
参考文献

第2章 低维纳米半导体激光器材料与器件
2.1 半导体激光器发展的简要回顾
2.1.1 三维同质、异质结构的半导体激光器
2.1.2 二维量子阱结构的半导体激光器
2.1.3 一维量子线、零维量子点半导体激光器
2.2 半导体激光器基础
2.2.1 态密度和量子限制效应
2.2.2 光吸收、联合态密度、准费米能级和粒子数分布反转
2.2.3 载流子和光波的限制
2.2.4 激光阈值条件
2.2.5 半导体激光器主要性能参数及其表征
2.3 紫外至可见光量子阱激光器材料
2.3.1 GaN基激光器材料与器件
2.3.2 AlGaInP红光激光器材料与器件
2.4 近红外波段量子阱激光器材料
2.4.1 短波长AlGaAsGaAs激光器材料
2.4.2 长波长InP基激光器材料
2.4.3 980nm InGaAsGaAs应变量子阱激光器材料
2.5 2～3μm中红外波段量子阱激光器材料
2.5.1GaInAsSbAlGaAsSb量子阱激光器材料
2.5.2InGaAsInGaAsP应变量子阱激光器材料
2.6 中远红外量子级联激光器材料
2.6.1 量子级联激光器的发展现状与趋势
2.6.2 量子级联激光器的工作原理
2.6.3 量子级联激光器的结构与特性
2.7 紫外波段氧化锌量子线阵列激光器
2.7.1 纳米氧化锌激子发光理论
2.7.2 氧化锌量子线阵列的外延生长
2.7.3 氧化锌量子线阵列的激光发射
参考文献

第3章 纳米电子材料和器件
3.1 从微电子学到纳米电子学
3.1.1 微电子器件发展的摩尔定律
3.1.2 纳米电子学的诞生
3.1.3 纳米电子学的研究基础
3.2 纳米电子材料和器件
3.2.1 纳米电子材料及其应用
3.2.2 电子器件的发展
3.2.3 纳米电子器件及其研究内容
3.3 纳米硅基CMOS器件
3.3.1 硅基MOS集成电路技术步入纳米尺度
3.3.2 纳米CMOS器件面临的挑战
3.3.3 纳米硅基CMOS器件结构
3.3.4 纳米体硅CMOS器件工艺
3.3.5 纳米体硅CMOS器件的量子效应
3.3.6 新型CMOS器件及其集成技术
3.4 固态纳米电子器件
3.4.1 量子电子器件的基本类型及其特征
3.4.2 共振隧穿器件
3.4.3 单电子器件
3.4.4 碳纳米管互连及其场效应晶体管
参考文献

第4章 纳米半导体气敏传感器
4.1 半导体气敏传感器分类
4.1.1 气敏传感器的应用与分类
4.1.2 半导体气敏传感器的分类
4.2 半导体气敏传感器的结构和工作原理
4.2.1 半导体气敏传感器的结构
4.2.2 半导体气敏传感器的工作原理
4.3 纳米SnO2薄膜气敏传感器
4.3.1 纳米SnO2薄膜气敏传感器
4.3.2 掺杂纳米SnO2薄膜气敏传感器
4.3.3 多组分氧化物复合的纳米SnO2薄膜气敏传感器
4.4 新型纳米半导体气敏材料与传感器
4.4.1 纳米In2O3气敏传感器
4.4.2 纳米NiO气敏传感器
4.4.3 纳米ZnO气敏传感器
4.4.4 纳米TiO2气敏传感器
4.4.5 尖晶石型铁酸盐（MFe2O4）纳米材料气敏传感器
4.4.6 纳米铜氧化物气敏传感器
4.4.7 纳米WO3气敏传感器
4.4.8 纳米ZnS气敏传感器
参考文献

第5章 基于半导体纳米材料的染料敏化太阳能电池
5.1 染料敏化太阳能电池概况
5.1.1 太阳能电池的发展现状与新方向
5.1.2 染料敏化太阳能电池特点及产业化前景
5.2 染料敏化太阳能电池的结构组成
5.2.1 纳米结构的光阳极
5.2.2 电解质体系
5.2.3 染料敏化剂
5.2.4 对电极
5.3 染料敏化太阳能电池的工作原理
5.3.1 半导体?溶液界面
5.3.2 染料敏化半导体表面以及光诱导电荷分离
5.3.3 染料敏化太阳能电池工作原理
5.4 基于TiO2纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池
5.4.1 染料敏化TiO2太阳能电池的发展概况
5.4.2 多孔TiO2纳米晶薄膜DSC
5.4.3 一维TiO2纳米结构染料敏化太阳能电池
5.4.4 TiO2核壳纳米结构DSC
5.4.5 TiO2量子点敏化纳米结构DSC
5.5 基于ZnO纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池
5.5.1 染料敏化ZnO太阳能电池的发展历史
5.5.2 ZnO纳米晶粒薄膜DSC
5.5.3 ZnO纳米线DSC
参考文献

第6章 纳米半导体光催化材料与光催化技术
6.1 光催化技术应用
6.1.1 光催化在环境治理方面的应用
6.1.2 光催化分解水制氢
6.1.3 光催化抗菌
6.1.4 光催化提取贵金属
6.1.5 光催化化学合成
6.2 纳米半导体光催化的基本原理
6.2.1 带隙激发
6.2.2 去活化过程
6.2.3 半导体光催化反应机理
6.2.4 反应过程动力学
6.3 TiO2微纳米空心球
6.3.1 模板法制备中空TiO2微球
6.3.2 在离子液体中制备TiO2空心球
6.3.3 利用Ostwald生长机理制备TiO2空心球
6.4 TiO2介孔材料
6.4.1 溶胶?凝胶法制备介孔TiO2纳米材料
6.4.2 超声水解法制备介孔TiO2纳米材料
6.4.3 水热法制备介孔TiO2纳米材料
6.4.4 蒸发诱导自组装法制备介孔TiO2纳米材料
6.5 分级纳米结构半导体光催化材料
6.5.1 分级结构钨酸铋纳米材料
6.5.2 钛酸铋钠分级结构纳米材料
6.5.3 金属硫化物固溶体纳米棒自组装的分级纳米结构光催化材料
参考文献

第7章 荧光量子点纳米探针及其在生物医学领域的应用
7.1 生物标记技术
7.1.1 生物标记和标记物
7.1.2 免疫生物标记
7.1.3 纳米粒子和生物标记
7.2 量子点荧光纳米探针的构建
7.2.1 荧光量子点的基本特性
7.2.2 荧光量子点的合成
7.2.3 荧光量子点的表面修饰
7.3 量子点在生物医学领域的应用
7.3.1 量子点应用于细胞成像及活细胞动态过程的实时示踪
7.3.2 量子点应用于活体动物标记成像
7.3.3 量子点在微生物检测中的应用
7.3.4 量子点在生物大分子相互作用及相互识别中的应用
参考文献
……

纳米半导体具有许多常规半导体无法媲美的奇异特性和非凡的特殊功能，在信息、能源、环境、传感器、生物等诸多领域具有空前的应用前景，相应就产生新兴纳米产业，如纳米信息产业、纳米环保产业、纳米能源产业、纳米传感器以及纳米生物技术产业等，这是纳米半导体材料高速发展的市场动力。

本书力求以的内容全面系统阐述纳米半导体的特殊性能及其在信息（纳米光电子、纳米电子学）、能源、环境、传感器技术以及生物技术领域中的应用。本书是作者根据国内外有关科研成果和作者自身的科研成果编写而成。从材料学角度力求反映当前国际上纳米半导体材料与器件研究的成果。

全书共7章，主要内容如下。第1章绪论，简单介绍了纳米半导体的基本概念、基本效应和特殊性能及纳米半导体技术对各个领域的影响。第2章介绍低微纳米半导体激光器材料与器件，主要包括激射波长覆盖从紫外波段至中红外波段的量子阱（包括应变量子阱）激光器材料与器件、中远红外波段量子级联激光器材料与器件以及紫外波段ZnO量子线阵列激光器。第3章介绍纳米电子材料与器件，主要包括纳米硅基CMOS器件和基于量子效应的固态纳米电子器件，其中后者重点介绍共振隧穿器件、单电子器件以及碳纳米管互连及其场效应晶体管。第4章纳米半导体气敏传感器，首先重点介绍纳米SnO2薄膜气敏传感器，然后分别简单介绍新型纳米半导体气敏材料与传感器，其中主要有纳米In2O3气敏传感器、纳米TiO2气敏传感器、纳米ZnO气敏传感器、纳米CdO气敏传感器、尖晶石型铁酸盐（MFe2O4）纳米材料气敏传感器、纳米铜氧化物气敏传感器、纳米WO3气敏传感器和纳米ZnS气敏传感器。第5章基于半导体纳米材料的染料敏化太阳能电池，内容主要包括基于TiO2纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池和基于ZnO纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池。第6章纳米半导体光催化材料与光催化技术，首先简单介绍光催化技术应用和半导体光催化原理，然后分别重点讨论TiO2微纳米空心球、TiO2介孔材料和几种典型分级纳米结构半导体光催化材料。第7章荧光量子点纳米探针及其在生物医学领域的应用，首先介绍了荧光量子点纳米探针的构建技术，包括荧光量子点的合成技术与表面修饰技术，然后介绍了量子点在生物医学领域的应用，其中主要有量子点应用于细胞成像及活细胞动态过程的实时示踪、量子点应用于活体动物标记成像、量子点在微生物检测中的应用以及量子点在生物大分子相互作用及相互识别中的应用。

本书可作为大专院校材料科学与工程、凝聚态物理、微电子学与固体电子学等相关专业的本科生、研究生教学参考书，也可供从事纳米半导体教学、科研、开发的研究人员和工程技术人员参考。

在本书编写过程中，姚池、朱高远、童秋桃、王涛、陈枫、袁培等研究生做了大量工作，本书的出版也得到了化学工业出版社的大力支持，作者在此一并表示衷心感谢！

鉴于作者水平有限，书中不妥之处敬请广大读者批评指正。

编著者2013年3月

纳米半导体具有许多常规半导体无法媲美的奇异特性和非凡的特殊功能，在信息、能源、环境、传感器、生物等诸多领域具有空前的应用前景，相应就产生新兴纳米产业，如纳米信息产业、纳米环保产业、纳米能源产业、纳米传感器以及纳米生物技术产业等，这是纳米半导体材料高速发展的市场动力。

本书力求以的内容全面系统阐述纳米半导体的特殊性能及其在信息（纳米光电子、纳米电子学）、能源、环境、传感器技术以及生物技术领域中的应用。本书是作者根据国内外有关科研成果和作者自身的科研成果编写而成。从材料学角度力求反映当前国际上纳米半导体材料与器件研究的成果。

全书共7章，主要内容如下。第1章绪论，简单介绍了纳米半导体的基本概念、基本效应和特殊性能及纳米半导体技术对各个领域的影响。第2章介绍低微纳米半导体激光器材料与器件，主要包括激射波长覆盖从紫外波段至中红外波段的量子阱（包括应变量子阱）激光器材料与器件、中远红外波段量子级联激光器材料与器件以及紫外波段ZnO量子线阵列激光器。第3章介绍纳米电子材料与器件，主要包括纳米硅基CMOS器件和基于量子效应的固态纳米电子器件，其中后者重点介绍共振隧穿器件、单电子器件以及碳纳米管互连及其场效应晶体管。第4章纳米半导体气敏传感器，首先重点介绍纳米SnO2薄膜气敏传感器，然后分别简单介绍新型纳米半导体气敏材料与传感器，其中主要有纳米In2O3气敏传感器、纳米TiO2气敏传感器、纳米ZnO气敏传感器、纳米CdO气敏传感器、尖晶石型铁酸盐（MFe2O4）纳米材料气敏传感器、纳米铜氧化物气敏传感器、纳米WO3气敏传感器和纳米ZnS气敏传感器。第5章基于半导体纳米材料的染料敏化太阳能电池，内容主要包括基于TiO2纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池和基于ZnO纳米结构光阳极的染料敏化太阳能电池。第6章纳米半导体光催化材料与光催化技术，首先简单介绍光催化技术应用和半导体光催化原理，然后分别重点讨论TiO2微纳米空心球、TiO2介孔材料和几种典型分级纳米结构半导体光催化材料。第7章荧光量子点纳米探针及其在生物医学领域的应用，首先介绍了荧光量子点纳米探针的构建技术，包括荧光量子点的合成技术与表面修饰技术，然后介绍了量子点在生物医学领域的应用，其中主要有量子点应用于细胞成像及活细胞动态过程的实时示踪、量子点应用于活体动物标记成像、量子点在微生物检测中的应用以及量子点在生物大分子相互作用及相互识别中的应用。

本书可作为大专院校材料科学与工程、凝聚态物理、微电子学与固体电子学等相关专业的本科生、研究生教学参考书，也可供从事纳米半导体教学、科研、开发的研究人员和工程技术人员参考。

在本书编写过程中，姚池、朱高远、童秋桃、王涛、陈枫、袁培等研究生做了大量工作，本书的出版也得到了化学工业出版社的大力支持，作者在此一并表示衷心感谢！

鉴于作者水平有限，书中不妥之处敬请广大读者批评指正。

编著者2013年3月