纳米材料与技术试卷参考答案.pdf

中中 国国 海海 洋洋 大大 学学 命命 题题 专专 用用 纸纸 首页 06 07 学年第学年第2学期 试题名称 学期 试题名称 纳米材料与技术期末考试题 A卷 答案 共 共 4 页页 第第 1 页页 一 填空 每空一 填空 每空 1 分 总共分 总共 30 分分 1 1 100nm 2 运动和变化 3 操纵和加工 4 低维材料 5 2 1 2 量子线 6 材料的密度偏低 7 纳米晶粒容易长大 相变 8 晶界 相界 畴界 9 水溶液溶胶 凝胶法 醇盐溶胶 凝胶法 10 Q e 2 11 磁性颗粒 表面活性剂 基液 12 短波 蓝移 13 一定波长光 荧光 磷光 14 扶手椅型 锯齿型 螺旋型 15 恒电流模式 恒高度模式 二 简答题 每题二 简答题 每题 5 分 总共分 总共 45 分分 1 答 答 主要有两种技术 Top down 由上而下 的方法和 Bottom up 由下而上 的方法 2 分分 Top down 由上而下的方法是一种采用物理和化学方法对宏观物质的超细化的纳米科技 的研究方法 Bottom up 由下而上的方法 以原子 分子 团簇等为基元组装具有特定 功能的器件 材料 纳米科技的最终目的是以原子 分子为起点 去制造具有特殊功能 的产品 授课 教师 授课 教师 命题教师或命 题负责人签字 命题教师或命 题负责人签字 院系负责 人签字 院系负责 人签字 年 月 日 年 月 日 1 装 装 订 订 线 线 中中 国国 海海 洋洋 大大 学学 命命 题题 专专 用用 纸纸 附页 06 07 学年第 2 学期 试题名称 06 07 学年第 2 学期 试题名称 纳米材料与技术期末考试题 A卷 共 共 4 页页 第第 2 页页 2 答 答 纳米材料通常按照维度进行分类 超细粒子 团簇 0 维材料 纳米线或管 1 维纳米材料 纳米膜 2 维纳米材料 纳米块体 3 维纳米材料 3 答 答 1 尺度上 分别为 10 9 10 7m 10 7 10 5m 10 9m 2 物理与化学性质上 1 微细颗粒不具有量子效应 纳米颗粒有量子效应 2 团簇有量子效应和幻术效应 而纳米颗粒不具有幻数效应 4 答 答 在蒸发过程中 蒸气中原材料的原子由于不断地与惰性气体原子相碰撞损失能 量而迅速冷却 这将在蒸气中造成很高的局域过饱和 促进蒸气中原材料的原子均匀 成核 形成原子团 原子团长大形成纳米粒子 最终在冷阱或容器的表面冷却 凝聚 收集冷阱或容器表面的蒸发沉积层就可获得纳米粉体 通过调节蒸发的温度和惰性气 体的压力等参数可控制纳米粉的粒径 5 答 答 1 对于粗晶金属 在杂质含量一定的条件下 由于晶界的体积分数很小 晶界对电子 的散射是相对稳定的 因此 普通粗晶和微米晶金属的电导可以认为与晶粒的大小无 关 2 对于纳米晶材料 由于含有大量的晶界 且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大 幅度上升 纳米材料的界面效应的影响不能忽略 纳米材料的电导具有尺寸效应 特 别是晶粒小于某一临界尺寸时 量子限制将使电导量子化 纳米材料的电导将显示出 许多不同于普通粗晶材料电导的性能 例如 纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度 的减小而减小 电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小 甚至出现负的电阻温度系 数 6 答 答 随着半导体粒子尺寸的减小 其带隙增加 相应的吸收光谱和荧光光谱向短波 方向移动 即蓝移 由于纳米颗粒尺度小 而具有大的表面张力 造成晶格畸变 晶格常数变小 键长缩 短 导致纳米微粒的键本征振动频率增大 使光吸收带移向了高波数 界面效应引起 纳米材料的谱线蓝移 7 答 答 量子尺寸效应使纳米光学材料对某种波长的光吸收带有蓝移现象 纳米粉体对 各种波长光的吸收带有宽化现象 纳米微粒紫外吸收材料就是利用这两个特性 对紫 外吸收好的材料有三种 TiO2纳米粒子的树脂膜 Fe2O3纳米微粒的聚合物膜和纳米 Al2O3粉体 大气中的紫外线在 300 400nm 波段 在防晒油 化妆品中加入纳米微粒 对这个波段 的紫外光线进行强吸收 可减少进入人体的紫外线 起到防晒作用 2 装 装 订 订 线 线 8 答 答 晶体的自由表面和内界面 如晶界 相界等 处原子的排布与晶体内部的完整 晶格有很大差异 且界面原子具有较高的自由能 因此 熔化通常源于具有较高能量 的晶体表面或界面 晶粒尺寸减小 使各种界面增多 表面积增大 熔化的非均匀形 性位置增多 从而导致熔化在较低温度下开始 即熔点降低 此题也可以用经典热力学理论解释 小粒子较无穷大平面粒子的吉布斯自由能升高为 12 11 2GV DD 或 1 G D 为粒子的表面张力 V 为摩尔体积 D1和 D2分别为晶粒表面的两个主曲率半径 对于球形粒子 D1 D2 D 经一系列推导可得 1 m mm TDV TDH 或 1 m TD D Tm D 为尺寸依赖的熔化温度 D 是纳米晶体的等效直径 Tm 表示块体的熔化温度 Hm为 Tm D 温度时的熔化焓 这一关系式可以近似描述纳米材料的熔化规律 随着粒 度降低 熔点下降 9 答 答 1 针尖不够尖 2 针尖的长径比不够大 3 针尖被污染 3 装 装 订 订 线 线 4 针尖被破坏成双尖 三 计算题 三 计算题 10 分分 解 解 3 d 3 1 1 5 3 6 50 R 3 d 3 1 5 0 6 60 St 3 d 3 1 5 1 2 nm 1 1 2 109 m 1 5 108 m 1 5 108 m2 m3 5 108 m2 106 cm3 500 m2 cm3 四 论述题 四 论述题 15 分分 答 答 当磁性物质的晶粒尺度进入纳米范围时 其磁学性能具有明显的尺寸效应 使纳 米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学持性 例如纳米丝 由于其长径比很大 具有很强的形状各向异性 当其直径小于某一临界 值时 在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性 此外 矫顽力 饱和磁化强度 居里 温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关 1 磁学性能中 矫顽力矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈 对于大致球形的晶粒 矫顽力随晶粒尺寸的减小而增加 达到一最大值后 随着晶粒的进一步减小矫顽力反 而下降 对应于最大矫顽力的晶粒尺寸相当于单畴的尺寸 对于不同的合金系统 其 尺寸范围在十几至几百纳米 当晶粒尺寸大于单畴尺寸时 矫顽力随晶粒尺寸 D 的减 小而增加 当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后 矫顽力随晶粒的减小急剧降低 2 超顺磁性超顺磁性具有强烈的尺寸效应 材料的尺寸是该材料是否处于超顺磁状态的决定因 素 3 微米晶的饱和磁化强度饱和磁化强度对晶粒或粒子的尺寸不敏感 当尺寸降到 20nm 或以下时 由于位于表面或界面的原子占据相当大的比例 而表面原子的原子结构和对称性不同 于内部的原子 因而将强烈地降低饱和磁化强度 Ms 4 纳米材