纳米结构
介电纳米结构
介电纳米结构
介电纳米结构是一种纳米级别的结构，通常由介电材料构成，如硅、二氧化硅等。
这些介电材料具有高折射率，能在光经过时实现有效的光子操控。
介电纳米结构具有多种光学特性，如光子局域、光子囚禁和光子-激子耦合等，这些特性使其在光子芯片、太阳能电池、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
此外，介电纳米结构中的非辐射现象也是研究热点之一，包括BIC和anapole等。
这些非辐射现象使得光子在纳米结构中更加有效地被操控，为未来纳米光子技术的发展提供了新的思路。
总之，介电纳米结构在光学、物理学、材料科学、信息科学等多个领域都备受关注，已成为当前纳米科学和技术的前沿和热点。
硅基纳米结构材料
硅基纳米结构材料
硅基纳米结构材料是一种基于硅的材料，并且具有纳米结构的特点。
硅基材料是一类以硅为基础的材料，具有许多优异的性质，如高热稳定性、电子性能良好、易加工等。
硅基材料在微电子、光电子、传感器等领域有广泛的应用。
纳米结构是指材料的尺寸在纳米级别，具有特定的表面积和量子效应。
纳米结构材料由于具有特殊的尺寸效应、量子效应和表面效应，表现出与常规宏观材料不同的物理、化学和机械性能。
硅基纳米结构材料结合了硅基材料和纳米结构的优点，具有更高的表面积、更好的光电性能和更大的尺寸效应。
硅基纳米结构材料在太阳能电池、光电器件、储存材料等领域有着广泛的应用前景。
硅基纳米结构材料的制备方法有很多，包括溶剂热法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。
这些方法可以控制材料的形貌、结构和尺寸，从而调控材料的性能。
总之，硅基纳米结构材料具有广阔的应用前景，将在各个领域中发挥重要作用。
第五章一维纳米纳米结构单元全
Kroto 研究小组获得的碳原子团簇的质谱图
C60
C70
C60具有什么样的结构呢？ 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，C60和C70是有固定碳原子数的有限分子，它们应该具有不同的结构。 克罗托想起美国建筑师巴克明斯特·富勒BuckminsterFuller为1967年蒙特利尔世博会设计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成的圆穹屋顶。 富勒曾对克罗托等人启发说：“C60分子可能是球形多面体结构”。
CNT - Fabrication - how to
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Single-wall nanotubes are produced in a gas-phase process by catalytic disproportionation of CO on iron particles. Iron is in the form of iron pentacarbonyl. Adding 25% hydrogen increases the SWNT yield. The synthesis is performed at 1100 C at atmospheric pressure.
A laser is aimed at a block of graphite, vaporizing the graphite. Contact with a cooled cooper collector causes the carbon atoms to be deposited in the form of nanotubes. The nanotube "felt" can then be harvested
纳米拓扑结构
纳米拓扑结构
纳米拓扑结构是指在纳米尺度下具有拓扑缺陷或特殊拓扑性质的结构。
在纳米尺度下，物质结构由原子和分子组成，物质的物理和化学性质与物质的拓结构密切相关。
拓扑缺陷是指在空间中存在的一种缺陷，它是由物质内部原子或分子的位置或排列异常引起的。
拓扑缺陷可以是点缺陷、线缺陷、面缺陷或体缺陷，它们对物质的物理和化学性质具有重要影响。
例如，碳纳米管中存在五元环缺陷，这种缺陷可以改变碳纳米管的电子结构和导电性能。
特殊拓扑性质是指物质在纳米尺度下具有的特殊性质，例如自组装、自修复、自适应等。
这些特殊性质可以用于制造具有特定功能和性能纳米材料和器件。
例如，利用自组装可以制造出具有特定结构和功能的纳米材料，利用自修复可以制造出具有自我修复能力的纳米器件，利用自适应可以制造出具有自适应能力的纳米系统。
纳米拓扑结构的研究对于制造具有特定功能和性能的纳米材料和器件具有重要意义。
目前，纳米拓扑结构的研究主要集中在碳纳米管、石墨烯、纳米线、纳米带等材料上。
未来，随着科学技术的不断发展，纳米拓扑结构的研究将为制造出更加先进和纳米材料和器件提
供重要支持。
细胞生物学中的纳米级结构组装和动态变化
细胞生物学中的纳米级结构组装和动态变化在细胞生物学中，纳米级结构组装和动态变化是非常重要的研究方向。
这些结构和变化涉及到细胞内分子的组装、周期性的变化、细胞分裂等一系列重要的生物学过程。
在本文中，我们将探讨这些纳米级的结构和变化，并说明其对细胞生物学研究的重要性。
1. 细胞内结构组装的纳米级特征细胞内的许多生物大分子，比如蛋白质、DNA和RNA等，都具有不同的纳米级结构。
这些结构的形状和组装方式对于细胞的功能和生物学过程至关重要。
例如，细胞内的微管是由直径为25纳米的蛋白质管组成的，微管因其特殊结构被广泛用于细胞分裂等过程。
另外，许多蛋白质是由若干个具有特定结构（如α螺旋、β折叠）的小结构单元（如α螺旋结构、β折叠结构）组装而成，形成一定的高级结构，比如蛋白质的三级结构。
2. 细胞内周期性的变化许多细胞内过程都呈现出周期性变化。
这些变化的周期一般在秒级到几百秒级之间，因此需要对细胞内的微观物理过程进行高度的时间分辨率观察。
其中最常见的一种变化是细胞内钙离子浓度的变化。
钙离子是细胞内重要的信号分子，参与了许多重要的生物学过程，比如细胞分裂和细胞凋亡。
细胞内的钙离子浓度变化具有明显的周期性，可以通过荧光显微镜等成像技术来观察。
3. 细胞内结构的动态变化细胞内结构的动态变化对于细胞生物学的研究非常重要。
它们提供了关于细胞结构和功能的重要信息，直接或间接地反映了细胞内生物分子的互动和生物学过程的进行。
最常见的一种动态变化是细胞内的运动。
细胞内的许多结构，比如微管、纺锤体和高尔基体，都参与了细胞内的运动过程。
另外，细胞内许多蛋白质分子也具有一定的动态性，他们不断地进行运动和互相的组装和分解，形成了细胞内复杂的生物学过程。
总之，细胞生物学的研究离不开对纳米级结构和变化的观察和研究。
这些结构和变化反映了细胞结构和功能的重要信息，我们需要不断地通过各种技术手段来探索和研究它们，从而获得关于生命的更深层次的理解。
纳米技术 第二讲 纳米材料及纳米结构
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零维（0D）纳米材料
silica nanoparticles
Pt nanoparticles
一维（1D）纳米材料
金纳米棒
碳纳米管
硅纳米线
ZnO纳米带
二维（2D）材料
“绽放在纳米世界的火红玫瑰” 磁控溅射法在单晶NaCl 衬底上制作Cu纳米薄膜 ，样品厚度约15nm 。
导电性能的转变
1）与常规材料相比， Pd纳米相固体的比电阻 增大； 2）比电阻随粒径的减 小而逐渐增加； 3）比电阻随温度的升 高而上升。
■— 10nm; ▲— 12nm; X — 13nm; + — 22nm; ▼— 25nm; □ — 粗晶。
表面效应
表面效应（Surface Effect） 随着颗粒直径的变小，比表面积（表面积/体积）显著 地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原 子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样 的特性，这就是表面效应，又称界面效应。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会 迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有 意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致 密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超 微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料。
光谱线频移
纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。 SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC 固体为794cm-1。 CdS溶胶颗粒的吸收光谱随着尺寸的减小逐渐蓝移 （如下图所示）。 CdS溶胶颗粒 在不同尺寸下 的吸收光谱 谱线1：6nm; 谱线2：4nm; 谱线3：2.5nm; 谱线4：1nm
assembling system）、人工组装合成的纳米结构的材料体系或者 称为纳米尺度的图案材料（patterning materials on the nanometer scale）越来越受到重视。特点是强调按人们的意愿设计、组装、 创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，这也 是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。
第3章-纳米结构单元概述
单壁碳纳米管: • 根据螺旋角 θ 的不同存在三种类型的结构： • 分别称为单臂碳纳米管armchair、锯齿形 碳纳米管 zigzag 和手性形碳纳米管 chiral 。
2. 团簇的分类： 根据团簇的组成可以分为： (1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 (2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm (3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m (4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成 的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也 不同于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集 体以及周期性很强的晶体。
4）巴基葱
1992年瑞士联邦大学的D.Vgarte等人用高强度电子束对碳棒长 时间照射，得到洋葱状富勒烯，称为巴基葱(bucky-onion)，中 心是C60分子，其外围由具有240－540和960个原子的富勒烯原 子层封闭叠套起来，形成一层套一层的洋葱状结构。巴基葱的 层面有的可多达70多层(图)。层间距约0.334 nm，直径可达 47nm。
• 根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米 线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。
• 纳米棒：纵横比 ( 长度与直径的比率 ) 小，截面 为圆形。一般小于20。 • 纳米线：纵横比大，截面为圆形。 • 纳米带其截面为长方形。
• 同轴纳米电缆： 芯部为半导体或导体的纳米线，外包异质纳米壳 体（半导体或导体），外部的壳体和芯部线是同
团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关： • 金属键来源于自由价电子， • 半导体键是取向共价键， • 碱金属卤化物为离子键， • 惰性元素原子间的作用为范德瓦尔斯键。
2. 原子团簇的奇异的特性： • • • • • • 1）极大的比表面积。 2）异常高的化学和催化活性。metal 3）光的量子尺寸效应和非线性效应。 4）电导的几何尺寸效应。carbon 5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性。 6）碳管、碳葱的导电性。
纳米结构对催化性能的影响
纳米结构对催化性能的影响随着科技的发展，纳米材料已经成为科研领域的重要革新，其在多个领域的应用和研究受到越来越多的关注。
其中之一便是催化领域，纳米结构的材料因具有更高的表面积、更多的活性位点和更好的稳定性等优点，成为催化领域的重要研究方向。
本文将主要着重分析纳米结构对催化性能的影响。
纳米结构的优势纳米结构相比于微米结构，具有较小的尺寸，更高的比表面积。
这使得纳米结构更加活性。
例如，在催化反应中，纳米结构中的原子及分子很容易进入反应中心进行反应，而微米结构因为表面积较小，原子分子很难在表面上形成有效的反应中心，因此催化效果较弱。
此外，纳米结构由于其尺寸效应，在一些催化反应中可以产生非常特殊的性质，如中间物的生成和反应的途径。
纳米材料的尺寸的缩小也能够增加其在催化反应过程中的反应速率和选择性。
催化性能的提高目前，利用纳米结构来提高催化材料的性能已经成为研究前沿。
一些现有的催化材料已经开始采用纳米结构来进行改造，以提高其催化性能。
例如，人们发现将纳米金属、纳米氧化物等纳米材料添加到传统的催化剂中，可以显著增加其催化活性。
另外，在一些反应或催化剂合成过程中，添加一些剂量的纳米结构，同样会有效提高催化剂的活性。
比如添加纳米硫酸钡等纳米材料到钯催化反应体系中，可以使反应速率大大提高，并降低钯的用量。
此外，纳米材料的特殊性质，如纳米金属促进碳氢化合物的氧化反应等，也被广泛应用于有机催化反应。
总的来说，纳米结构的材料具有更多的活性位点和更好的稳定性等优势，这为催化材料的研究和应用提供了新的方向和思路。
催化材料中纳米结构的制备如何制备高质量的纳米结构也成为了催化领域研究的重要问题。
目前，几种常见的制备方法包括化学还原法、溶胶-凝胶法、热分解法、湿法化学合成法等。
其中，化学还原法是一种常见的方法，其制备的纳米材料常常具有高的活性和选择性。
然而，其缺点是需要使用大量的化学试剂，并且有可能带来较大的环境污染和安全隐患。
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通常采用厚度为6—20微米的聚碳酸酯、聚酯和 其他高分子膜，通核裂变碎片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化学腐蚀方法使这些痕迹变成 孔洞．这种模板的特点是孔洞呈圆柱形，很多孔 洞与膜面斜交，因此在厚膜内有孔通道交叉现象， 总体来说，孔分布是无序的。
CdSe量子点的胶体晶体的 光吸收和光发射谱，可以 看出，随着量子点直径由 6.2nm减小到3.85nm，光 吸收带和发光带出现明显 的蓝移(见实线)．胶体晶 体中量子点浓度增加．量 子点之间的距离缩短，耦 合效应增强导致光发射带 的红移(图12．1中实线对 应高浓度胶体晶体，点线 对应低浓度胶体晶体．)；
2 厚膜模板合成纳米阵列
厚膜模板合成纳米结构单元(包括零维纳米粒子、 准一维纳米棒、丝和管)和纳米结构阵列体系， 是物理、化学多种方法的集成，在纳米结构制备 科学上占有极其重要的地位，人们可以根据需要 设计、组装多种纳米结构的阵列．
用模板合成纳米结构给人们以更多的自由度来控 制体系的性质，为设计下一代纳米结构的元器件 奠定了基础． 与其他制备方法相比较，模板组 装纳米结构有以下几个优点：
的热溶剂，即可获得白色
的纳米结构空心的介孔文 石。
第四，半导体量子点阵列体系(膜)的合成可以 通过自组织技术进行，它的优点是工艺简单， 价格便宜，无需昂贵的仪器设备．用分子束外 延和电子束刻蚀来合成半导体量子点阵列是比 较成熟的技术，但它需要价格昂贵的设备，因 而自组织合成半导体量子点引起人们倍加注意。 近年来，文章上陆续有一些报道，CdSe量子点 阵列的自组织合成是用自组织技术合成纳米结 构的典型例子．
美国IBM公司的华森研究中心和加利福尼亚大 学共同合作研制成功室温下超小型激光器，主 要设计原理是利用三维人造超原子组成纳米结 构的阵列体系，通过控制量子点的尺寸及三维 阵列的间距达到对发光波长的控制，从而使该 体系的发光性质具有可调制性．
美国贝尔实验室利用纳米硒化镉构成阵列体系， 显示出波长随量子点尺寸可调制的红、绿、蓝 光，实现了可调谐发光二极管的研制．半导体 内嵌入磁性的人造超原子体系，如锰离子被注 入到砷化镓中，经退火后生成了具有纳米结构 的铁磁量子点阵列，每个量子点都是—个磁开 关．
近年来，纳米结构体系与新的量子效应 器件的研究取得了20世纪引人注目的新 进展，与纳米结构组装体系相关的单电
子晶体管原型器件在美国研制成功，这
种纳米结构的超小型器件功耗低，适合 于高度集成，是21世纪新一代微型器件 的基础；把两个人造超原子组合到一起，
利用耦合双量子点的可调隧穿的库仑堵 塞效应研制成超微型的开关；
从基础研究来说，纳米结构的出现，把人们对 纳米材料出现的基本物理效应的认识不断引向 深入．无序堆积而成的纳米块体材料，由于颗 粒之间的界面结构的复杂性，很难把量子尺寸 效应和表面效应对奇特理化效应的机理搞清 楚．纳米结构可以把纳米材料的基本单元(纳 米微粒、纳米丝、纳米棒等)分离开来，这就 使研究单个纳米结构单元的行为、特性成为可 能．
模板的获得是合成纳米结构阵列的前提，下面主 要介绍一下氧化铝、高分子模板和金属模板的特 征和合成方法．
(1)氧化铝模板
经退火的高纯铝片(99．999％)在低温的草酸或硫 酸溶液中经阳极腐蚀获得氧化铝多孔模扳．该模 板结构特点是孔洞为六角柱形垂直膜面呈有序平 行排列，孔径可在5至200nm范围内调节，
第九章 纳米结构
纳米结构体系是当前纳米材料领域派 生出来的含有丰富的科学内涵一个重要 的分支学科，由于该体系的奇特物理现 象及与下一代量子结构器件的联系，因 而成为人们十分感兴趣研究热点．20世 纪90年代中期有关这方面的研究取得重 要的进展，研究的势头将延续到21世纪 的初期．
所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元 为基础，按一定规律构筑或营造一种新 的体系，它包括—维、二维、三维体 系．这些物质单元包括纳米微粒、稳定 的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、 纳米丝以及纳米尺寸的孔洞．我们知道， 以原子为单元有序排列可以形成有自身 特点的，相对独立的一个新的分支学科。
关于纳米结构组装体系的划分至今并没 有一个成熟的看法，根据纳米结构体系 构筑过程个的驱动力是靠外因，还是靠 内因来划分，大致可分为两类：一是人 工纳米结构组装体系；二是纳米结构自 组装体系和分子自配装体系．
所谓人工纳米结构组装体系，按人类的 意志，利用物理和化学的方法人为地将
纳米尺度的物质单元组装、排列构成一
水解的甲氧基硅烷、二甲氧基硅烷及三 甲氧基硅烷等．
第三，介孔的纳米结构自 组织合成．英国巴斯(Bath) 大学利用自组织技术成功
地合成了介孔的纳米结构
的文石．将几滴双连续微 乳剂喷洒在Cu或黄Cu的 金属衬底上，然后将含有
微乳液滴的衬底水平地浸 泡在55℃的热氯仿或65℃ 的己烷中，停留1至3s后取 出放在空气中蒸发掉残余
上述工作都是近几年来纳米结构体系与 微型器件相联系的具体例子，虽然仅是 实验室的成果，但它却代表了纳米材料 发展的一个重要的趋势，从这个意义上 来说，纳米结构和量子效应原理性器件 是目前纳米材料研究的前沿，并逐渐用 自己制造的纳米微粒、纳米管、纳米棒 组装起来营造自然界尚不存在的新的物 质体系，从而创造出新的奇迹。
总之，除了上述几个主要形状的纳米结构外， 分子自组织合成纳米结构在花样上是多种多样的。
纳米结构自装和分子自组装体系是物理学、化学、 生物学、材料科学在纳米尺度交叉而衍生出来的 新的学科领域，它为新材料的合成带来了新的机 遇，也为新物理和新化学的研究提供了新的研究 对象，是极细微尺度物理和化学很有生命力的前 沿研究方向，更重要的是纳米结构的自组装和分 子自组装体系是下一代纳米结构器件的基础．所 合成出来的纳米结构自组装体系本身就是极细微 尺度的微小器件，这个领域研究的前景方兴未 艾．
维、二维和三维的纳米结构体系，这里
人的设计和参与制造起到决定性的作用，
就好像人们用自己制造的部件装配成非 生命的实体(例如，机器、飞机、汽车、 人造卫星等)一样，人们同样可以形成具 有各种对称性的和周期性的固体，
人们也可以利用物理和化学的办法生长 各种各样的超晶格和量子线．以纳米尺 度的物质单元作一个基元按一定的规律 排列起来形成一维、二维、三维的阵列 称之为纳米结构体系，由于它具有纳米 微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺寸 效应、表面效应等特点，又存在由纳米 结构组合引起的新的效应，如量子耦合 效应和协同效应等．
第二，金属胶体自组装纳
米结构经表面处理后的金
属胶体表面嫁接了官能团，
可以在有机环境下形成自
组装纳米结构．美国普度
大学把表面包有硫醇的纳
米金微粒形成了悬浮液，
该悬浮液在高度取向的热
解 上
石 构Biblioteka 墨 筑、 密M排o的S2自或组SiO织2
衬 长
底 程
有序的单层阵列结构，金
颗粒之间通过有机分子链
连接起来。该体系的物性
(1)利用模扳可以制备各种材料，例如金属、合 金、半导体、导电高分子、氧化物、碳及其他 材料的纳米结构；
(2）可合成分散性好的纳米丝和纳米管以及它 们的复合体系，
(3)可以获得其他手段，例如平板印刷术等难以 得到的直径极小的纳米管和丝(3nm)，还可以 改变模板柱形孔径的大小来调节纳米丝和管的 直径；
大大增加了辛醇的比例，从而提高了溶液的极 性，
这就使包有极性表面活性剂的CdSe量子点 与这种极性的溶剂通过协同作用形成自组 装纳米结构的平面胶体晶体．这种自组织 的纳米结构体系的物性的最重要特点是可 以通过胶体晶体的参数进行调制，CdSe量 子点的尺寸和它们之间距离的改变光吸收 带和发光带位置的变化．
其次，这种纳米结构体系很容易通过外场(电、 磁、光)实现对其性能的控制，这就是纳米超 微型器件的设计基础．从这个意义上来说，纳 米结构体系是一个科学内涵与纳米材料尚存在 既有联系，又有一定差异的一个新范畴，目前 的文献上已出现把纳米结构体系与纳米材料并 列起来的提法，也有人从广义上把纳米结构体 系也归结为纳米材料的一个特殊分支．
第二，纳米管．有人用分子自组织技术，设计 合成了一种由D—和L—氨基酸交替组成的环 八肽，在氢键作用下自组装成纳米管，管长在 数百至数千纳米，内径为0.8nm．
第三，多层膜．一个值得注意的工作是用三嵌 段共聚物可以自组织成具有纳米结构的超分子 共聚物．这项工作是美国伊利诺伊大学的材料 科学和化学工作者合作于1997年成功地合成了 以蘑菇形状的高分子聚集体为结构单元，再自 组织成纳米结构的超分子多层膜．
通过金纳米粒子尺寸、悬
浮液浓度来进行控制．
美国密苏里州立大学在含有官能团的有 机薄膜覆盖的衬底上沉积稀的Au或Ag胶 体粒子悬浮液，通过胶体金属粒子与有
机膜中官能团之间协同作用，构成了多
重键的纳米单层膜结构。衬底可以是导 体，也可以是绝缘体，例如，Pt，玻璃、 石英、等离子处理的尼龙等，有机膜有
第五，分子自组织合成纳米结构．分子 自组织普遍存在于生物系统中，是不同 的复杂生物结构形成的基础．例如，生 物学中不同蛋白质的聚集体是经过分子 自组织形成的。
近年来，分子自组织技术被许多科技工 作者用来合成纳米结构材料．分子自组 装合成的纳米结构主要可以归纳如下：
第一，纳米棒．纳吉罗斯基(RadZilowski) 等人发现，由一个刚性棒状嵌段以共价 键连在一个分子柔性线圈状嵌段上形成 的二单元聚合物分子(称作“棒状螺线”) 在非共价键力作用下可自组织成长条形 的 聚 集 体 ， 此 聚 集 体 的 长 度 在 1 μm 或 1μm以上，其他方向尺寸只有几纳米；
(4)可制备纳米结构阵列体系；
(5)可以根据模板内被组装物质的成分以及纳米 管、丝的纵横比的改变对纳米结构性能进行调 制．
2．1 模板的制备和分类
厚膜模板是指含有高密度的纳米柱形孔洞，
厚度为几十至几百微米厚的膜。常用的模板有 两种，一种是有序孔洞阵列氧化铝膜板，另一 种是含有孔洞无序分布的高分子膜板．其他材 料的模板还有纳米孔洞玻璃、介孔沸石、蛋白、 多孔Si模扳及金属模板．纳米阵列体系的制备 主要是采用纳米阵列孔洞厚膜作模板，通过化 学、电化学法在高温高压下将熔化的金属压入 孔洞、溶胶—凝胶法、化学聚合法、化学气相 沉积法来获得．