纳米材料与技术复习思考题2015.doc

一、填空： （每空 1 分，总共 30分） 1. 纳米尺度是指 1100nm。 2. 纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型 物质运动和变化 的科学。3. 纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行 操纵和加工 的技术。 4. 当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 低维材料。5. 一维纳米材料中电子在 2 个方向受到约束，仅能在 1 个方向自由运动，即电子在 2 个方向的能量已量子化。一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 量子线 。 6. 1997 年以前关于 Au、Cu、Pd 纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是材料的密度偏低。 7. 纳米材料热力学上的不稳定性表现在 纳米晶粒容易长大 和 相变 两个方面。8. 纳米材料具有高比例的内界面，包括 晶界、相界、畴界 等。 9. 根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：水溶液溶胶-凝胶法 和 醇盐溶胶-凝胶法 10. 隧穿过程发生的条件为 |Q| e/2 。 11. 磁性液体由三部分组成：磁性颗粒 、表面活性剂 和基液。 12. 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将向 短波 方向移动，即蓝移 。 13. 光致发光指在 一定波长光 照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程。仅在激发过程中发射的光为 荧光 。在激发停止后还继续发射一定时间的光为 磷光 。 14. 根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：扶手椅型、锯齿型、螺旋型15. STM 成像的两种模式是 恒电流模式和恒高度模式。二、简答题： （每题 5分，总共 45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 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）； 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。2、纳米材料的分类？ 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、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 答：1）尺度上：分别为 10-910-7m, 10-710-5m, 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、简述 PVD 制粉原理。 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、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 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、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象。 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、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 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 300400nm 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。8、解释纳米材料熔点降低现象。 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。 9、AFM 针尖状况对图像有何影响？画简图说明。 1) 针尖不够尖2) 针尖的长径比不够大3) 针尖被污染1. 纳米科学技术(Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米107)到十亿分之一米(109米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术2、什么是纳米材料、纳米结构？纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系3、什么是纳米科技？答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工4、什么是纳米技术的科学意义？5、纳米材料有哪4种维度？举例说明6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应答：宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 库仑堵塞效应：前一个电子对后一个电子的库伦排斥，小体系单电子运输行为7、随着颗粒直径的减小，材料的熔点有什么改变？材料的热稳定性有什么改变？答：熔点下降，由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些表面原子临近配位不全，活性大，纳米例子熔化时，所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降热稳定性变差，微粒半径越小，热稳定性越差8巨磁电阻效应：1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁电阻效应9. “自上而下”(topdown)：是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化10 “自下而上”(bottom up)：是指以原子分子为基本单元,根据人们的意愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染11量子器件:利用量子效应而工作的电子器件14. 纳米材料有哪些危害性？答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环纳米技术对环境的危害性：美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性18、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响答：STM工作原理：扫描隧道显微镜是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持恒定的电流，依此来观测物体表面的形貌STM对纳米技术的影响：它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率此外扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具AFM工作原理：AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂会因为受到探针头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、静电力、磁力（见磁力显微镜）喀希米尔效应力、溶剂力等等通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（如铝）以增强其反射通过惠斯登电桥，探头的形变何以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏AFM对纳米技术的影响：不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织19、名词解释STM扫描隧道显微镜AFM原子力显微镜SEM扫描电子显微镜XRFX射线荧光分析TEM透射电子显微镜CVD化学气相沉积法PVD物理气相沉积法PLD激光诱导沉积法MBE分子束外延PECVD等离子体增强化学气相沉积法SWNTS单壁碳纳米管MWNTS多壁碳纳米管第一章2、什么是纳米世界的“眼”和“手”扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）9、原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体(粒径小于或等于1 nm)10、纳米微粒：是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉量子点：是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束也叫一维量子线11、量子线：是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的也叫零维量子点12、量子阱：是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小有时也称为二维超晶格13、人造原子：人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm14、人造原子与真正原子的相似和不同之处：15、富勒烯的结构、特性：A、六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合，形成类似苯环的结构，它的键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的键，也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的键，是以sp2.28杂化轨道形成的键单键键长为0.145nmB、C60的键垂直于球面，含有10的s成分，90的p成分，即为s0.1p0.9，双键键长为0.14nmC、C60中两个键间的夹角为106o，键和键的夹角为101.64oD、由于C60的共轭键是非平面的，环电流较小，芳香性也较差，但显示不饱和双键的性质，易于发生加成、氧化等反应，现已合成了大量的C60衍生物16、富勒烯的应用：1).C60分子本身不导电，它可能成为继Si、Ge、GaAs之后的又一种新型半导体材料2).C60和C70是一种良好的非线性光学材料3).合成金刚石的理想原料4.富勒烯的氢化物由于含有大量的氢且性质稳定，有可能作为储氢材料或高能燃料C60F60（特氟隆球）是一种超级耐高温和耐磨材料，被认为是比C60更好的润滑剂5).C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物，形成新的分子团簇6).在生理医学方面，还可利用C60内部中空来包裹放射性元素，用于治疗癌症，以减轻放射性物质对健康组织的损害17、碳纳米管的结构：多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成管间距为0.34nm左右，这相当于石墨的面间距碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原子的五边形封顶碳纳米管的分类：根据管壁可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管存在三种类型的结构：分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管第二章1.小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象-小尺寸效应2.表面效应：纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定3.量子尺寸效应：由尺寸减小，超微颗粒的能级间距变为分立能级，如果热能，电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，超微颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应久保理论的两个假设是什么?A简并费米液体假设B超微粒子电中性假设第三章，第四章1 、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因。答：熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加A熔点下降：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降B烧结温度降低：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结过程中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低C比热容增加：纳米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大（比常规块体），因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料高很多需要更多的能量来给表面原子的振动或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢3、试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因A.纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方面：1).量子尺寸效应由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向, Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种解释对半导体和绝缘体都适用2).表面效应由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明：第一近邻和第二近邻的距离变短,键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数 B吸收光谱的红移现象的原因6、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理透射电子显微镜：从加热到高温的钨丝发射电子，在高电压作用下以极快的速度射出，聚光镜将电子聚成很细的电子束，射在试样上；电子束透过试样后进入物镜，由物镜、中间镜成像在投影镜的物平面上，这是中间像；然后再由投影镜将中间像放大，投影到荧光屏上，形成最终像扫描扫描电子显微镜：入射电子与样品之间相互作用激发出二次电子二次电子收集极将向各方向发射的二次电子汇集起来，再经加速极加速射到闪烁体上转变成光信号经过光导管到达光电倍增管，使光倍号再转变成电信号经视频放大器放大后输出送至显像管，调制显像管的亮度在荧光屏上便呈现一幅亮暗程度不同的反映样品表面起伏程度(形貌)的二次电子像扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距控制系统，使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离10时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1，电流就变化一个数量级左右移动探针或样品，使探针在样品上扫描原子力显微镜：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定另一端的针尖与样品表面轻轻接触当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10-8-10-6N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系（遵循胡克定律）7、TEM、SEM图像衬度原理分别是什么TEM：由于穿过试样各点后电子波的相位差情况不同，在像平面上电子波发生干涉形成的合成波色不同，形成图像上的衬度SEM：背散射电子能量高，以直线轨迹溢出样品表面，背向检测器的表面无法收集电子变成阴影，可以分析凹面样品第五章1、气相法制备纳米微粒的分类？气相法制备纳米微粒包括化学气相反应法：气相分解法，气相合成法，气固反应法物理气相法：气体冷凝法，氢电弧等离子体法，溅射法，真空沉积法，加热蒸发法，混