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原文作者： Taoda Hiroshi

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• 光触媒
• 二氧化钛
• 环境净化
• 空气净化
• 水净化
• 材料科学
• 纳米材料
• 绿色环保
• 光化学
• 催化技术

　　近年来在媒体上频频曝光的光触媒，是一种透过光产生化学作用，可以分解有害的化学物质，而且因为它的反应是无害的，可以提升环境净化技术，因此在强调环保的21世纪，光触媒成为值得注意的新技术。不过也有人对于光触媒看不见的效果抱持怀疑的态度。因为光触媒必须在光线照射、与有害物质直接接触的情况下才能产生反应，而且如果没有正确的使用方法就无法发挥效果。因此本书为了让想要了解光触媒的读者能够正确地知道光触媒的知识，包涵了第一章光触媒的特征、第二章市面上贩售的光触媒素材、第三章光触媒的用途、第四章应用光触媒的要点、第五章光触媒的实用化商品、第六章光触媒的研究开发与市场动向、第七章如何取得光触媒评价试验法的标准化与品质的规格化等各方面知识。让入门者可以一窥光触媒的全貌，了解这个蕴含兆亿商机的新技术。

作者简介

土卞田博史（Taoda Hiroshi）

　　现任独立行政法人产业技术综合ceramics研究部门、环境材料化学研究团长、光触媒产品技术协议会会长。

图书简介：量子隧穿效应在纳米材料中的应用与调控 副标题：从基础理论到前沿器件设计的深度探索 作者： 张伟、李明、王芳 出版社： 科学技术文献出版社 出版日期： 2024年10月 --- 内容概要 《量子隧穿效应在纳米材料中的应用与调控》是一部深入探讨量子力学核心现象——量子隧穿效应（Quantum Tunneling Effect, QTE）在当前最前沿的纳米科学和材料工程领域中如何被理解、利用和精细控制的专业学术著作。本书旨在为凝聚态物理、材料科学、半导体物理、纳米电子学以及相关交叉学科的研究人员、高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识体系。 本书结构清晰，逻辑严谨，从量子力学的基本原理出发，逐步过渡到宏观效应的微观解释，并最终聚焦于如何通过材料设计和外部环境调控来优化隧穿行为，以服务于新一代功能器件的开发。 第一部分：量子隧穿效应的基础理论回顾与深化（约400字） 本部分首先系统回顾了量子力学中关于波函数、薛定谔方程以及势垒穿透概率的基本概念。重点阐述了WKB近似法（Wentzel–Kramers–Brillouin approximation）在处理复杂势垒问题中的应用及其局限性。 深入探讨了隧穿效应在不同维度体系中的表现差异： 1. 一维势垒穿透： 详细推导了矩形势垒、梯形势垒和三角势垒下的透射系数，并引入了时间依赖的隧穿问题。 2. 二维和三维系统中的隧穿： 讨论了在晶格缺陷、晶界以及异质结界面处的空间依赖性隧穿，特别是对于二维材料（如石墨烯和过渡金属硫化物）中电子波函数的局域化与有效势垒的构建。 3. 多势垒与耦合隧穿： 分析了量子点阵列、超晶格结构中存在的级联隧穿和共振隧穿现象（RHEED），这是理解当前高性能晶体管结构的关键。 此外，本部分还引入了非平衡态量子输运理论，如Landauer-Büttiker公式，将其与费米-狄拉克统计相结合，为后续分析实际器件中的电流-电压特性奠定坚实的理论基础。 第二部分：纳米材料的电子结构与隧穿势垒的构建（约550字） 本卷是连接基础理论与材料工程的核心部分。它聚焦于如何通过选择和设计特定的纳米材料结构，来精确塑造电子所穿越的势垒形态。 1. 能带工程与有效质量： 详细分析了半导体合金、应变硅以及III-V族半导体中，通过掺杂和晶格应力如何改变电子的有效质量（$m^$）和能带错位，从而直接影响隧穿概率。 2. 界面物理与势垒的锐化： 深入研究了金属-绝缘体-半导体（MIS）结构中，界面态密度、界面陷阱对隧穿电流的散射和耗散作用。特别关注了超薄氧化物层（如$HfO_2$, $Al_2O_3$）的原子级生长控制技术，及其对栅极介质隧穿漏电的影响机制。 3. 二维材料的零质量/狄拉克电子隧穿： 专门辟章讨论了石墨烯和拓扑绝缘体中，由于其线性色散关系导致的独特隧穿特性，如无质量狄拉克费米子的隧穿概率与能量的线性关系，以及如何利用外加电场来调控其隧穿阈值。 4. 局域化与量子限制效应： 阐述了纳米晶体、量子线和量子点结构中，由于尺寸量子化导致的能级离散化，如何将原本连续的隧穿过程转化为局域化的能级间跃迁，从而实现对隧穿过程的“开关”控制。 第三部分：隧穿效应在先进电子器件中的应用与前沿器件设计（约550字） 本部分将理论和材料知识转化为实际的技术应用，着重介绍如何利用隧穿效应开发下一代高性能、低功耗的电子和信息处理器件。 1. 隧穿晶体管（TFETs）： 详细剖析了TFETs的工作原理，特别是带间隧穿（Interband Tunneling）与表面隧穿（Surface Tunneling）机制的竞争与抑制。本书提供了优化TFETs亚阈值摆幅（SS）至$60 ext{mV/decade}$以下的结构设计参数，如源极/沟道材料匹配、陡峭的能带倾角设计等。 2. 量子隧穿存储器（RRAM/FeFETs）： 探讨了基于电荷陷阱隧穿和界面切换机制的非易失性存储器（NVM）的设计。重点分析了Fowler-Nordheim隧穿和直接隧穿在形成和消除阻态（SET/RESET）过程中的作用，以及如何通过材料的铁电性或氧化还原特性来增强开关对比度。 3. 隧道结与高频器件： 介绍了隧道二极管（Tunnel Diode）的负微分电导区（NDC）特性，及其在高频振荡电路中的应用。对于磁隧道结（MTJ）的分析，则深入到自旋极化电子的隧穿，这是自旋电子学（Spintronics）的核心。 4. 隧穿效应在传感与成像中的应用： 讨论了扫描隧道显微镜（STM）的原理，如何将皮米尺度的形貌成像建立在极敏感的隧穿电流之上。同时，探讨了利用隧穿结开发高灵敏度的单光子探测器（SNSPD）的最新进展。 总结与展望 《量子隧穿效应在纳米材料中的应用与调控》不仅是一本教科书，更是一份面向未来的研究指南。本书强调了跨学科思维的重要性，鼓励读者将凝聚态物理的深刻理解与前沿纳米制造技术相结合，以期在信息技术、能源转换和生物传感等领域取得突破。本书的深度和广度，使其成为纳米电子学研究者案头不可或缺的参考工具书。

评分☆☆☆☆☆

我一直对科学技术如何改善我们生活充满好奇，特别是那些能够解决实际问题的创新技术。光触媒最近 seems to be everywhere，从环境保护到医疗健康，应用领域非常广泛，但我始终觉得对它的理解停留在表面。我渴望通过阅读《光触媒图解》这本书，能够真正地“看懂”光触媒。我希望它能不仅仅停留在原理的介绍，而是能深入到它的“前世今生”，比如，光触媒技术是如何被发现和发展起来的？有哪些里程碑式的发现？不同发展阶段的光触媒材料，在性能和应用上有什么差异？我特别想了解，为什么二氧化钛（TiO2）会成为最常用和研究最多的光触媒？它的结构是怎样的？有哪些不同的晶型？不同晶型对光触媒的性能有什么影响？书中是否会介绍一些新型的光触媒材料，比如负载型光触媒、量子点光触媒等，它们又有哪些独特的优势？我希望这本书能让我对光触媒有一个从宏观到微观的全面认识，理解它的发展脉络和未来趋势。

评分☆☆☆☆☆

光触媒这个词，最近真的听到好多，感觉像是科技界的新宠儿，什么空气净化、水处理、甚至医疗领域都能看到它的身影。但我总是觉得，虽然概念听起来很酷，但具体是怎么运作的，光触媒到底是什么，它和普通的催化剂有什么区别，这些问题在我脑子里就像一团乱麻。我特别渴望能有一本书，能把这些复杂的原理用一种我能理解的方式讲解清楚，最好能配上图，这样即使是化学小白也能看得懂。我之前也尝试过搜索一些资料，但要么太专业，要么太碎片化，很难形成一个完整的认知体系。所以，当我在书店看到《光触媒图解》的时候，就觉得这可能就是我一直在找的那本。我希望这本书能从最基础的化学键、电子跃迁开始讲起，一步步揭示光触媒的活性是如何产生的，为什么需要特定的光照条件，以及不同类型的光触媒（比如TiO2、ZnO等等）各自的特点和应用场景。我特别期待书中能有详细的分子结构图、反应机理图，甚至一些模拟实验的示意图，让光触媒的“工作过程”变得可视化。我想知道，当光照射到光触媒表面时，究竟发生了什么？电子是如何被激发？又如何与空气中的污染物发生反应？这些细致入微的化学反应过程，如果能用清晰的图示来呈现，那对我的理解一定会有极大的帮助。这本书能否解答我关于光触媒的种种疑问，将抽象的化学概念转化为具象的理解，这一点是我最看重的。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对环境污染的问题都非常关注，尤其是室内空气污染，这直接关系到我们的健康。空气净化器我用过不少，也了解过一些净化技术，但总觉得它们的净化原理不够彻底，或者存在二次污染的风险。最近听到“光触媒”这个词频繁出现在空气净化器的宣传中，说是能分解污染物，听起来很诱人，但我对它到底是怎么实现“分解”的，以及分解产物是否真的无害，总有些疑虑。我希望《光触媒图解》这本书，能深入浅出地剖析光触媒在空气净化领域的具体应用。它能否详细解释光触媒是如何吸附并分解甲醛、苯、TVOC等室内常见污染物？分解的化学反应方程式是怎样的？最终的产物是水和二氧化碳吗？还是有其他中间产物？书中对于光触媒在不同光照强度、湿度、温度条件下的净化效率表现，能否有清晰的对比和分析？我特别想了解，市面上宣称使用了光触媒的空气净化器，它们实际的应用效果和技术成熟度如何？是否存在一些虚假宣传，或者技术上的误导？这本书如果能提供一些客观的评判标准，或者介绍一些如何辨别真实有效的光触媒产品的方法，那对我来说将非常有价值。我希望这本书能帮助我更理性地认识光触媒在空气净化领域的潜力和局限性，而不是被过度的宣传所蒙蔽。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，很多高科技产品在宣传时，往往会夸大其词，让普通消费者难以辨别真伪。《光触媒图解》这本书，我最希望它能做到的是“接地气”和“负责任”。我希望它能详细解释光触媒技术的“局限性”和“挑战”。比如，它的反应速度是否足够快？在实际应用中，是否会受到环境因素的显著影响？它的“光”的来源，是必须是紫外线吗？可见光下的效果如何？书中能否提供一些客观的“性能评价标准”，以及一些“实际应用中可能遇到的问题”，比如材料的老化、活性衰减、以及潜在的安全隐患等。我特别想知道，对于市面上琳琅满目的光触媒产品，消费者应该如何进行“科学的甄别”？有没有一些简单易行的方法来判断其真实效果？这本书能否像一位“科普侦探”，揭示光触媒技术背后的真相，帮助我避免被虚假宣传所误导，做出理性、明智的选择。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对环保事业充满热情的人，我一直在关注那些能够真正带来改变的新兴技术。光触媒，这个词听起来就充满了“净化”和“新生”的力量，让我对它充满了期待。我希望《光触媒图解》这本书，能深入探讨光触媒在“可持续发展”中的作用。它能否详细介绍光触媒在解决环境问题方面的“潜力”，比如，在工业废水处理中，它如何分解污染物？在空气污染治理方面，除了室内净化，它在户外环境中能否发挥作用？我特别想了解，光触媒技术在“循环经济”中可以扮演怎样的角色？它能否与其他环保技术进行“协同”？书中是否会介绍一些成功的“案例”，展示光触媒是如何为社会带来积极影响的？例如，某个城市通过光触媒技术改善了空气质量，或者某个企业利用光触媒实现了“零排放”。我希望这本书能让我看到光触媒的“大格局”，理解它如何为构建一个更清洁、更美好的未来做出贡献。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对生活品质有一定追求的消费者，对于能够提升生活体验的新技术，总是乐于尝试。最近，我了解到一些关于“光触媒”在改善家居环境方面的应用，比如除味、除菌、甚至改善空气质量，听起来都很有吸引力。但我对它的“安全性”和“长期有效性”总是有一些顾虑。我希望《光触媒图解》这本书，能为我提供一个“科学的视角”，来评估光触媒产品的价值。它能否详细解答，光触媒在使用过程中，是否会对人体健康造成“潜在风险”？例如，它分解有机物产生的“副产物”是否无害？是否有相关的“毒理学”研究？同时，我也想了解，光触媒的“生命周期”是怎样的？它在实际应用中，活性能够维持多久？是否需要定期的“维护”或“更换”？书中能否提供一些“实用的建议”，帮助我选择那些真正安全、有效、且性价比高的光触媒产品，而不是被那些华而不实的宣传所迷惑。

评分☆☆☆☆☆

我对健康生活方式一直很追求，最近留意到一些关于“光触媒抗菌”的说法，尤其是在家用电器和日用品领域。比如冰箱、空调、甚至一些纺织品都宣称含有光触媒，能够杀灭细菌、去除异味。但作为消费者，我对此类技术往往抱有一定的怀疑态度。我希望《光触媒图解》这本书，能帮助我理解光触媒抗菌的科学原理。它能否解释光触媒是如何产生抗菌作用的？是通过释放活性氧，破坏细菌的细胞壁，还是通过其他机制？书中能否提供一些权威的检测报告或者实验数据，来证明光触媒的实际抗菌效果？我想知道，在日常使用环境下，光触媒的抗菌效果能维持多久？它对哪些类型的细菌和病毒有效？是否存在某些特定的细菌对光触媒有抵抗力？此外，我非常关注光触媒对人体是否安全。它在分解有机物的过程中，是否会产生对人体有害的副产物？我希望这本书能解答我关于光触媒抗菌的种种疑问，让我能够更加科学地选择和使用这些产品，而不是盲目跟风。

评分☆☆☆☆☆

我是一名建筑材料领域的从业者，最近在考察一些新型环保建筑材料。其中，一些涂料、玻璃、陶瓷等产品都宣传采用了光触媒技术，据说能达到自洁、抗菌、除臭等效果。我对此很感兴趣，但又担心这些宣传是否属实，以及这些技术的实际耐用性和稳定性如何。我非常希望《光触媒图解》这本书，能在这个方面给我一些启示。它能否详细介绍光触媒是如何集成到不同的建筑材料中的？比如，在涂料中，光触媒颗粒是如何分散和固化的？在玻璃表面，它是如何形成一层薄膜的？这些集成方式是否会影响光触媒的活性？对于这些“光触媒建材”，其宣称的自洁效果，是依靠什么原理实现的？是分解污垢，还是仅仅改变了表面的亲水/疏水性？抗菌效果又是如何达到的？是否有具体的实验数据支持其抗菌率？这本书如果能提供一些关于光触媒在建材中应用的案例分析，包括不同产品类型、不同施工工艺的优缺点，以及实际使用中的一些反馈和挑战，那就太好了。我特别想知道，这些光触媒建材的长期效果如何？是否会随着时间的推移而失效？维护成本高不高？这些都是我在实际工作中需要考虑的重要因素。

评分☆☆☆☆☆

我一直对各种“功能性材料”很感兴趣，最近“光触媒”这个概念频繁出现在各种科技新闻和产品介绍中，让我觉得它似乎是一种“神奇”的材料。但我总觉得，很多描述都比较笼统，缺乏具体的“科学依据”。我希望《光触媒图解》这本书，能为我揭示光触媒的“内在机制”。它能否详细解释，光触媒的“催化活性”是如何产生的？是电子的转移？还是自由基的产生？书中能否提供一些“微观层面的解析”，比如，光触媒表面原子和分子的排列是怎样的？在光照下，这些结构会发生怎样的变化？我特别想了解，为什么不同的光触媒材料，比如TiO2、ZnO、CdS等，它们的光催化性能会有显著差异？是否与它们的“能带结构”、“表面缺陷”等因素有关？这本书如果能用清晰的图示，来展示这些复杂的“量子力学”和“固体物理”原理，那对我理解光触媒的“本源”将是极大的帮助。

评分☆☆☆☆☆

我最近在考虑为家里进行一次装修，希望能够打造一个更健康、更环保的居住环境。在浏览各种装修材料和设备时，经常会看到“光触媒”这个概念，似乎它能解决空气污染、异味等问题。但我对它的了解非常有限，总觉得像是一种“玄学”，不确定它的实际效果如何，以及是否真的值得投入。因此，我非常期待《光触媒图解》这本书，能够为我提供一个清晰、易懂的指引。我希望这本书能详细介绍光触媒在家庭环境中的具体应用场景，不仅仅是空气净化，是否还有除臭、防霉、甚至分解装修残留有害物质等功能？它能否解释，在不同家居环境中，比如卧室、厨房、卫生间，光触媒的应用方式和效果会有何差异？书中是否会提供一些实际的家居装修案例，展示光触媒是如何被巧妙地融入到墙面、天花板、家具甚至家电中的？我特别想知道，对于普通家庭来说，如何选择可靠的光触媒产品？有哪些需要注意的陷阱？这本书能否帮我区分哪些是真正有效的技术，哪些只是噱头，从而做出明智的装修决策。