纳米技术及材料复习资料-2012

1、一、填空题1、扫描探针显微镜（SPM）两大主体技术包括_和ATM。2、磁带中的磁记录粉利用了磁性纳米颗粒的_特性。3、1997年，美国科学家利用量子隧穿效应和_首次成功地实现了单电子移动单电子。4、界面原子的扩散速率_应变速率时，利于陶瓷材料超塑性的产生。5、冷冻干燥法、喷雾干燥法都属于纳米材料液相制备法中的_。6、显微镜法可以对纳米材料的粒度和_进行评估。7、纳米粉末在较低温度下就能实现高致密性烧结，主要源于其压制成块体材料后具有高的_。8、体系内富有油，水相以均匀的小珠滴形式分散于连续相中，形成_微乳液。9、Zeta电位法不适用基于_稳定机制的分散体系。10、引起纳米固体材料红外吸收带宽化

2、的因素有尺寸分布效应和_。11、古代铜镜的防锈层采用的是_。12、扫描隧道显微镜隧道电流的产生是基于_效应。13、居里温度是铁磁体转变为_时的温度。14、纳米Fe微粒的高矫顽力可以采用_模式解释。15、在粒径分析法中，_的测试结果为一次颗粒的粒径，且具有代表性。16、随热处理温度的升高，纳米材料红外吸收带出现蓝移现象主要归结于_的影响。17、物理气相沉积法中的基本制膜技术包括蒸镀和_。18、_具有比MR更高的信号变化灵敏度，将其应用在硬磁盘中可实现更高的存储密度。19.纳米颗粒表面吸附一层可电离的聚合物以提高其在液体介质中的分散稳定性是基于_机制。20、超临界流体具有密度与_接近液体、粘度和扩

3、散速度接近气体的特性。22、在固相法中，可以制得亚稳纳米材料的方法为_。23、物理气相沉积法中的基本制膜技术包括蒸镀和_。24、引起纳米固体材料红外吸收带宽化的因素有尺寸分布效应和_。25、调节pH值来提高体系分散稳定性是通过改变纳米颗粒表面_实现的。26、纳米紫外吸收材料利用了纳米材料光吸收带的蓝移现象和_ 现象。一、填空题 (每小题2分)1、扫描隧道显微镜（STM）；2、高矫顽力；3、库仑堵塞效应；4、大于；5、溶剂蒸发法；6、形貌；7、界面能；8、W/O型or反相；9、空间位阻；10、界面效应。11、SnO2薄膜；12、量子隧道效应； 13、顺磁体；14、一致转动；15、X射线小角散射法

4、；16、晶场增强；17、溅射；18、GMR（巨磁电阻效应）；19、静电位阻。20、溶解能力； 22、机械合金化法； 23、溅射；24、界面效应；25、zeta电位；26、宽化。三、判断题（对打“”，错的打“×”，）1、高的晶界能有利于陶瓷材料超塑性的提高。（ ）2、如果某单壁碳纳米管指数为（5,5)，则该碳纳米管为金属型的。（ ）3、拉曼光谱源自分子在振动跃迁过程中偶极矩的改变。（ ）4、蒸镀技术只适用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜。（ ）5、石墨电弧法制备碳纳米管中，阳极被蒸发消耗。（ ）6、对纳米微晶材料进行退火处理可以降低其比热。（ ）7、表面效应不属于导致纳米微粒的光吸

5、收带发生红移的因素。（ ）8、C60团簇由32面体构成，是高不稳定性的新奇结构。（ ）9、齿型碳纳米管和螺旋型碳纳米管都是半导体型的。（ ）10、石墨电弧法制备碳纳米管中，阳极被蒸发消耗。（ ）11、对纳米微晶材料进行退火处理可以降低其比热。（ ）12、采用反应溅射法镀制化合物膜时，可以直接用金属靶作为靶材。（ ）13、在超临界反溶剂技术中，溶质不溶于超临界流体，而溶剂能与之互溶。（ ）14、界面数越多越有利于陶瓷材料超塑性的提高。（ ）15、超顺磁体表现出高的矫顽力和高的饱和磁化强度。（ ）16、纳米材料中界面对电子的强散射能力使材料的电导随温度的升高而下降。（ ）17、石墨电弧法制备碳纳米

6、管中，阳极被蒸发消耗。（ ）18、Hall-Petch关系是建立在纳米微晶材料的位错塞积理论基础上的。（ ）19、空间电荷极化表现为极化强度随温度的增加而上升。（ ）20、累积分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。（ ）1、×；2、；3、×；4、；5、；6、；7、×。8、×；9、×；10、；11、；12、；13、。14、×；15、×；16、；17、；18、×；19、×；20、×。名词解释1、纳米技术纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控

7、制的技术(2分)，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术(2分)，其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品(2分)。2、超顺磁性磁性微粒的粒径小到一定临界尺寸，其各向异性能减少到可与热运动能相比拟(2分)，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化(2分)，使得微粒只有在磁场中才表现出磁性，一旦撤去磁场，没有剩磁，表现为没有磁性，即出现超顺磁性(2分)。3、凝胶网络共沉淀法凝胶网络共沉淀法是一种先将金属离子固定在三维结构的凝胶网络中,然后再进行共沉淀的制备方法(2分)。凝胶网格

8、类似于微乳液中的“纳米反应器”,可以防止沉淀物在沉淀过程中的相互聚集和团聚(2分), 最终形成粒子的大小取决于凝胶网格的大小。因此，可以通过改变凝胶网格的大小,实现控制产物粒径大小的目的(2分)。4、纳米材料工程纳米材料工程是在1994年美国波士顿召开的秋季会议上正式提出的(1分)。这是纳米材料研究的新领域，一是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成发展新型的纳米材料(2分)，二是通过纳米添加对全统材料进行个改性，扩大纳米材料的应用范围(2分)。从此形成了纳米材料研究与应用并行发展的新局面(1分)。5、量子局限效应电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长(2分)。当电子的费米波长或

9、平均自由程与材料的尺寸处于同一量级时，电子的波动性就会变得显著(2分)。在量子点内部，电子在各个方向上的运动都受到局限，电子表现为零维自由度，这就是量子局限效应(2分)。6、激子吸收价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带(2分)，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子(1分)。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子(2分)。能产生激子的光吸收称为激子吸收(1分)。7、纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（0.1100nm ）或由其作为基本单元构成的材料（3分）。纳米材料除了其特征尺寸不同于常规材料，还具有明显区别于常规材料

10、的一些特殊物理、化学特性。（3分）8、量子局限效应电子具有粒子性与波动性，电子的物质波特性取决于其费米波长（2分）。当电子的费米波长或平均自由程与材料的尺寸处于同一量级时，电子的波动性就会变得显著（2分）。在量子点内部，电子在各个方向上的运动都受到局限，电子表现为零维自由度。这就是量子局限效应。（2分）9、凝胶网络共沉淀法凝胶网络共沉淀法是一种先将金属离子固定在三维结构的凝胶网络中,然后再进行共沉淀的制备方法(2分)。凝胶网格类似于微乳液中的“纳米反应器”,可以防止沉淀物在沉淀过程中的相互聚集和团聚(2分), 最终形成粒子的大小取决于凝胶网格的大小。因此，可以通过改变凝胶网格的大小,实现控制产

11、物粒径大小的目的(2分)。简答题1、为什么扫描探针显微镜被称为纳米科技的“眼”和“手”？所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性(2分)。所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构造纳米结构(2分)，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室(2分)。2、X射线小角散射法用于纳米颗粒的粒径评估时有何特点？采用X射线小角散射法评估纳米颗粒的粒径有以下特点：测试结果反映的是一次颗粒的尺寸(1.5分)；（2）测试结果具有统计性、代表性(1.5分)；（3）测试粒径范围宽，在1-300nm范围(1.5分)；（4）可测试样品的类型多样化（1.5）。3、沉

12、淀法制备纳米微粒有何缺点？沉淀物通常为胶状物，水洗、过滤较困难(1.5分)；所制备的纳米微粒易发生团聚，难于制备粒径很小的纳米微粒(1.5分)；沉淀剂容易作为杂质混入产物之中(1.5分)；由于大量金属不容易发生沉淀反应，该方法适用面较窄(1.5分)。4、纳米粉体表面改性的目的是什么？提高纳米粉体的分散性(1.5分)；提高微粒的表面活性(1.5分)；改善纳米粉体与复合材料中基料间的相容性(1.5分)；使纳米粉体表面产生新的物理、化学性能及新的功能(1.5分)。5、纳米技术的发展大致可以划分为哪几个阶段？ 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段。第一阶段主要是在实验室探索各种纳米晶或纳米相材料的制备

13、手段，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能（2分)；第二阶段人们关注的热点是设计纳米复合材料（2分)；第三阶段是纳米组装体系的研究（2分)。6、在制备纳米微粒时，对目标产物的控制有何要求？尺寸可控（1分)；成分可控（1分)；形貌可控（1分)；晶型可控（1分)；表面物理可控（1分)；表面化学特性可控（1分)。7、冷冻干燥法制备纳米微粒有何特点？在溶液状态下各组分在原子或分子层次均匀混合，适合于极微量组分的添加，并能精确控制其最终组成；制备的纳米粉体粒度分布范围窄，一般在10500nm范围；所得纳米粉体的表面积和反应活性都比一般过程高；操作简单，特别适合于高纯陶瓷材料用纳米粉体的制备。8、造

14、成纳米固体材料反常Hall-Petch关系的因素有哪些?（1）位错塞积理论不再适用（1分)；（2）三叉晶界的影响（1分)；（3）高界面能的影响（1分)；（4）缺陷的存在对测量结果的影响（1分)；（5）晶粒尺寸测量、评估的随机性对测量结果的影响（1分)；（6）试样制备方法对烧结后块体材料界面性能的影响（1分)。9、纳米材料的研究包括哪些方面？对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征（1分)，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律（1分)，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论（1分)；二是发展新型纳米材料（1分)，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材

15、料的纳米修饰与改性（2分)。10、纳米微粒表面改性的方法有哪些？（1）表面包覆改性（0.5分）：(a) 表面活性剂法（1分）；(b) 无机包覆改性（1分）；（2）表面化学改性（0.5分）：（a）偶联剂改性（1分）；(b) 疏水化处理（粉体表面具有羟基）（1分）；(c) 聚合物表面接枝改性（1分）。11、沉淀法制备纳米微粒有何缺点？沉淀物通常为胶状物，水洗、过滤较困难（1.5分）；所制备的纳米微粒易发生团聚，难于制备粒径很小的纳米微粒（1.5分）；沉淀剂容易作为杂质混入产物之中（1.5分）；由于大量金属不容易发生沉淀反应，该方法适用面较窄（1.5分）。12、造成纳米固体材料反常Hall-Petc

16、h关系的因素有哪些?（1）位错塞积理论不再适用（1分）；（2）三叉晶界的影响（1分）；（3）高界面能的影响（1分）；（4）缺陷的存在对测量结果的影响（1分）；（5）晶粒尺寸测量、评估的随机性对测量结果的影响（1分）；（6）试样制备方法对烧结后块体材料界面性能的影响（1分）。选择题1、采用了沉淀剂缓释技术的是_。（1）共沉淀 (2) 均相沉淀 (3) 直接沉淀 (4) 凝胶网络共沉淀2、下面_所测结果为晶粒的尺寸。（1）显微镜法 (2)激光粒度分析法 (3) BET法 (4) X射线衍射线线宽法3、表示碳纳米管卷曲方向的矢量符号为_。（1）C (2) T (3) P (4) q 4、纳米带属于_

17、纳米材料。（1）零维 (2) 一维 (3) 二维 (4) 三维5、不属于纳米颗粒分散稳定性评估办法的是_。（1）沉降法 (2) 拉曼散射法 (3) 透光率法 (4) Zeta电位法1、（2）；2、（4）；3、（1）；4、（3）；5、（2）。六、分析题1、研究发现，碳纳米管生长在具有氨基的官能团表面，而不生长在有甲基官能团表面。基于这种特性，请试用一种方法使碳纳米管定域生长在某一特定的图形上。第一步在SiO2衬底上淀积一层TMS(三甲基硅烷) (2分)；第二步将这层TMS光刻出一定图形(2分)；第三步在光刻好的图形内淀积上含有氨基的物质(2分)；第四步进行碳纳米管的生长(2分)。实验完成之后碳纳

18、米管即定域生长在淀积着含氨基物质的图形上。纳米材料的四个基本效应    纳米材料由纳米粒子组成，纳米粒子一般是指尺寸在1100纳米间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统。纳米材料具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。1、表面效应    粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场 环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围

19、缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活 性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。2、量子尺寸效应    指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。3、体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。如光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导

20、相向正常相转变等。4、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。近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。        以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化

21、学性质，出现一些"反常现象"，如金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（箔黑）后，却成为活性极好的催化剂等。纳米颗粒材料的制备 1.1 液相法 1.1.1 均相沉淀法 均相沉淀法是制备纳米颗粒材料的经典方法，其原理是在包含一种或多种金属离子的可溶性盐溶液中，加入沉淀剂（OH-、CO32等）使其与金属离子形成难溶物质而析出，然后经热解或脱水得到纳米颗粒材料。用此方法可向具有氧化性的可溶性金属盐溶液中加入还原剂使金属离子还原为单质而析出，用于制备金、银、铜等活泼性较差的金属单质纳米颗粒24。如果在金属离子还原之前，在溶液中引

22、入能够选择性吸附金属离子的纳米颗粒种子，然后再进行还原，则可以制备具有核-壳(Core-shell)结构的复合纳米材料。 利用均相沉淀还可以将纳米颗粒材料沉积到固体材料表面，从而使固态材料获得某种或某些特殊性能。例如将纳米银还原到了纤维材料表面可得到具有抗菌活性的功能纤维。用这种方法要得到单分散纳米颗粒材料还需进行大量摸索，有时侯还需要借助一些特殊装置。 1.1.2 溶胶-凝胶法 （Sol-Gel）这种方法是将金属醇盐或无机盐经水解或解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧，得到无机纳米材料。此过程可分为溶胶的制备、溶胶-凝胶的转化及凝胶的干燥等三个阶段。由此法所制得的胶体颗粒具

23、有烧结温度低、干燥时收缩性能好、化学均匀性好、纯度高、颗粒小等特点，并且可容纳不溶性或不沉淀组分。已为大多数科学工作者所熟悉，而且在工业上也获得了比较广泛的应用。例如此法常常被用来制备钛酸钡、钴蓝、氧化锌、碳酸锶等电子材料、发光材料或陶瓷材料等。 1.1.3 超临界流体法 超临界抽提法和超临界流体快速膨胀法是超临界流体法制备纳米材料的两个主要途径。由于在超临界状态时不存在气-液界面，在此状态下除去溶剂的过程不需要考虑表面张力或毛细作用的影响， 因而很容易制得具有多孔结构、高比表面的金属氧化物或金属氢氧化物纳米颗粒。用此法制得的微球比表面积较高，是优良的催化剂载体和吸附剂。超临界流体快速膨胀法是

24、利用超临界状态下流体良好的溶解性质，让其迅速膨胀而使得它的溶解能力降低，从而析出溶质微粒的方法。在此过程中可通过控制溶质浓度和操作温度等因素来控制微粒的大小。 1.1.4 喷雾法 这是一种化学与物理原理相结合的方法。这种方法在操作上是利用各种物理手段将包含所要制备材料成分的溶液雾化，然后送入特定装置中进行化学反应并获得纳米颗粒的方法。基本过程包括溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理等其最大特点是产物颗粒大小均一。依据雾化过程的不同可分为喷雾干燥法、雾化水解法、雾化焙烧法及等离子体喷雾法等。喷雾干燥法是经雾化、干燥、焙烧后得到纳米粒子的过程。雾化水解法是先经水解形成氢氧化物，然后再培烧得到氧化物

25、纳米颗粒的过程。这种方法所得微粒纯度高，粒径分布均匀，尺寸可控。雾化焙烧法是将金属盐由窄小的喷嘴喷出而雾化成小液滴，此液滴热解为纳米颗粒的方法。为了制得含杂质少，纯度高的纳米颗粒，利用等离子体可产生高温的特点将欲制备物质的溶液由等离子体喷嘴喷出，然后骤冷而得到纳米颗粒的方法被称之为等离子体法。 1.1.5 模板法 模板法是近年才发展起来的一类纳米材料的胶体化学制备方法。可以用作模板的材料很多，例如表面活性剂在溶液中所形成的胶束、囊泡，微孔滤膜，多孔玻璃，甚至细菌等等都可能被用作模板。 最近， 我们实验室提出将微米尺度的高分子微凝胶作为模板制备结构型微米级无机或无机/有机复合材料。将微凝胶法制备

26、得到的微米材料经过超声处理可得到粒径均一的纳米材料。作为一种微纳米材料制备的新方法，微凝胶法具有多种优势，例如可供选择的微凝胶类型很多，同种微凝胶因制备条件的不同可以具有不同的尺寸，通过乳液聚合或反相乳液聚合可以得到疏水或亲水微凝胶，这些微凝胶作为模板可以制备疏水或亲水微纳米材料。而且通过控制沉积方法（内源沉积或外源沉积）可以比较方便地制备具有核-壳结构，空心结构，甚至更为复杂结构的微纳米材料。高分子微凝胶法得到的微纳米材料往往具有比较好的单分散性，而且颗粒之间很少发生粘结。图1和图2分别给出以聚甲基丙烯酸微凝胶为模板制备得到的PbS有机/无机杂化微米材料和单个杂化微球显微结构的电镜照片， 很显然用此种方法制备得到的颗粒材料具有近乎完美的球状结构，而且球内有机成分与无机成分复合十分均匀。此外，实验所得微米有机/无机复合微球的单分散性很好。 1.2 气相法 1.2.1 气体冷凝法17 在超高真空室中使原物质（如离子型化合物以及易升华的过渡金属氧化物等）在纯净的惰性气体中加热蒸发为烟雾，原物质烟雾与惰性气体处于对流状态而发生碰撞并迅速损失能量而冷却，从而使得原物质蒸汽局域过饱和而均匀成核，形成粒径分布单一的纳米颗粒材料。在整个制备过程中，惰性气体的气压，蒸发速率等因素都是影响微粒大小的重要因素。 1.2.2 化学气相沉积法（CVD） 将原物质在特定温度、压力下蒸发到固体表面使其发生