纳米功能材料 期末总结 主要部分 苏州大学 公式见另一份

1、什么是纳米功能材料？纳米功能材料的种类和结构特点答指在纳米尺度上材料的性能既不同于原来组成的原子分子，也不同于宏观材料，具有特殊功能的材料。纳米功能材料的基本单元按维数可以分为：零维 在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；一维 在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维 在三维空间中有一维在纳米尺度，超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米材料具有如下结构特点、原子畴（晶粒或相）尺寸小于100nm；很大比例的原子处于晶界环境；各畴之间存在相互作用。定义团簇：（原子分子团簇）是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所

2、含的原子数目不同而变化幻数：在团簇质谱分析中，含有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰值，表明这些团簇特别稳定，所含的原子数称为“幻数”、重构：当团簇尺寸很小时，每增加一个原子，团簇的结构都会发生变化，这种变化被称为重构。什么是小尺寸效应？纳米颗粒的哪些现象和小尺寸有关？当纳米颗粒的尺寸，如晶粒的尺寸、第二相粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长（=hp）以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，引起宏观物理性质性对于块材显著变化。这种现象称为小尺寸效应。光吸收明显增加磁有序向无序转变，超导相向正常相转变矫顽力增加声子谱发生改变纳米颗粒的熔点远低于块状纳米颗粒有哪

3、些基本的效应？试举例说明量子尺寸效应（金属良导体变为绝缘体，半导体的能隙变宽、吸收光谱阙值向短波移动）小尺寸效应（力、声、光、磁）表面效应（高活性的表面 容易导致颗粒间出现团聚、吸附现象）库伦堵塞效应（电容极小，充放电量子化）量子隧穿效应介电限域效应纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶界的特点？对其纳米材料的性能有什么影响？晶界具有大量未被原子占据的位置或空间低的配位数和密度大的原子均方间距存在三叉晶界纳米材料有那些缺陷？总的纳米材料中位错的特点纳米材料的缺陷包括：在晶界处存在的空位团、微孔等缺陷旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错等刃位错若一个晶面在晶体内部突然中止于某一条线处，则称这种不规则排列为一个

4、刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝错线方向的扭曲螺位错将规则排列的晶面想象成一叠间距固定的纸面，若将这叠纸片剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，形成一个类似于楼梯拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则的排列结构成为一个螺位错。混合位错刃位错的伯氏矢量垂直于位错线方向，螺位错的伯氏矢量平行于其位错线方向。但实际材料中位错的伯氏矢量往往既非平行又非垂直于位错线方向，这些位错兼具了刃位错和螺位错的特征，称为混合位错纳米晶粒的长大有什么特点？采用哪些方法可以防止纳米晶粒的长大特点：随着晶粒尺寸的减小，热力学

5、的不稳定性增加，晶粒容易长大；在一种极端的情况下，当晶粒小于某一临界尺寸时，自由能大于相应的非晶态的自由能，由晶态转化为非晶态；晶粒长大的驱动力来源于晶界和晶粒内部的内能；服从关系式 方法：降低晶粒长大的驱动力，即降低晶界的自由能或降低晶界的迁移速率；获得真正亚稳态的组织。怎样使纳米材料具有可调节的电子结构？什么是Schotty 势垒？讨论纳米材料的电子结构对其性能的影响。外加电压可改变纳米材料的电子结构：组成链状物的纳米颗粒的直径小于空间电荷区的厚度；在链状体与绝缘层的表面区域之间外加压将形成空间电荷区；整个纳米颗粒体系内的平均电荷密度在外加电压的作用下发生变化。Schotty势垒：由金属和

6、半导体粒子复合而成的复合材料，由于金属的功函数通常高于半导体的，半导体相带正电荷而金属相带在相界形成负的空间电荷区。半导体的空间电荷层内失去电子形成耗尽层，能带向上弯曲形成能垒。由于晶界空间电荷区局部偏离电中性，当晶界占据相当大的体积分数时（特别是当晶粒尺寸在几个nm时），将导致局部物理性能发生变化，从而影响材料的整体性能。为什么纳米颗粒具有很高的活性？如何利用？表面原子数和总原子数之比随颗粒减小而大幅增加。表面原子具有许多的悬挂键，有不饱和性，易与其他原子结合稳定下来。/表面吸附储氧、制备高效催化剂、实现低熔点材料如何理解和区分量子尺寸效应与小尺寸效应。理解：材料的大多数物理性质都与费米面附

7、近的电子的运动状态有关，费米波长随电子浓度的增加而降低，可以设想费米波长相当于使纳米颗粒产生量子尺寸效应的临界尺寸。参加小尺寸定义区分：量子尺寸效应：在低温的条件下明显，性能的变化在某一温度下有突变小尺寸效应：不要求低温，性能虽温度没有变化是举例说明纳米材料的量子尺寸效应。答：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；纳米半导体微粒存在不连续的最高未被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，并存在能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。为什么考虑纳米颗粒的界面效应？纳米粒子具有大的比表面积，晶界上的原子占有相当高的比例，导致晶粒的大量原子和局部的原子结构不同于大

8、块晶体材料；键态严重失配出现许多活性中心；表面台阶和粗糙型增加，出现非化学平衡、非整数配位的化学键，从而导致纳米体系的化学性质与化学平衡的体系有很大差异。如何解释介电限域效应对半导体纳米材料光学性质的影响介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象。主要来源于微粒表面和内部局域场的增强。当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场明显增强。对光吸收带边移动（红移、蓝移）的影响。为什么晶界是纳米材料的一个组成部分，哪些因素对晶界有影响？纳米材料中晶界的体积分数可用下式来估计：=3/(d+)式中，是晶界的厚度，通常包括2-3个

9、原子间距，d为晶粒的直径。晶界在常规粗晶中仅仅是一种面缺陷，但在纳米材料中还是构成纳米材料的一个组元，即界面组元。因素：与晶粒的直径和界面的厚度有关与晶体结构有关与制备方法和工艺有关异质原子在晶界处偏析的原因和对晶界迁移的影响。热力学原因：异质原子在晶界的偏析引起晶界混合熵和结构熵的增加，从而降低晶界的自由能。在较低的温度下，晶界混合熵（-TS）的作用对作用的贡献很小，不足以影响晶界的自由能。当溶质原子与基体原子的半径相差很大时（如大于12%），有原子的错配所产生的结构熵是不可忽略的，结构熵的增加可使晶界的自由能接近于晶粒的自由能。动力学原因：扩散系数低的原子能稳定晶界，同时异质原子的晶界形成

10、的原子团、沉淀粒子对晶界运动产生钉扎、拖曳等作用，从而稳定晶界。Zener给出了一个稳定的晶粒半径R：R/r=3/4。上式表明，在晶界形成很小、分散的原子团或粒子（半径为r）能稳定纳米组织，体积分数越大，纳米晶的尺寸越不易长大。影响：当晶界迁移较慢时，将拖着杂质原子一起迁移，降低了晶界运动速率和晶粒长大速率；当晶界迁移很快时，将摆脱杂质原子的作用而自由运动；当晶界迁移速率适中时，部分晶界将摆脱杂质原子的作用而突出出来形成杂质原子的部分晶界。然而，界面面积的增加又使无杂质原子的凸出界面运动速率降低，并重新形成溶质原子团。因此，晶界的这种迁移是不平稳的。给出下列概念的定义：三叉晶界、刃错晶界、孪晶

11、界、层错。三叉晶界：也成旋错，是三个或四个以上相邻的晶粒之间形成的交叉线；刃错晶界：若一个晶面在晶体内部突然中止于某一条线处，则称这种不规则排列为一个刃位错 ；孪晶界：相邻两晶粒或晶粒内部相邻部分沿同一个公共晶面（孪晶界）；层错：如果晶体中有某一个原子面的堆叠次序发生了错乱，则在该晶面处即出现了原子排列混乱，这就是堆垛层错（层错）；为什么半导体材料表面修饰有明显的介电限域效应？答：当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对裸露于半导体纳米材料周围其他介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更容易穿过这层包覆膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质发生较大的变化，变产生明显的

12、介电限域效应。纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系是什么？1）当晶粒尺寸在50100nm之间，温度<0.5Tm时，位错的行为决定了材料的力学性能，随着晶粒尺寸的减小，位错的作用开始减小2）当晶粒尺寸在3050nm时可认为基本上没有位错行为3）当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难4)当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶粒的理论切应力。用气相合成法来合成与制备纳米材料有什么优点和缺点？物理气相沉积主要包括蒸发和溅射。优点：不需要坩埚；蒸发材料（靶）可随意放置；高熔点金属盒陶瓷材料也可制成纳米微粒；可具有很大蒸发面；使用反应性气体，可制备化合物纳米微粒；直接由纳米颗粒形成薄膜

13、。化学气相沉积包括大范围绝缘材料、大多数金属和金属合金材料。主要有化学气相反应和化学气相凝聚。优点：颗粒均匀、纯度高、粒度小、分散性好、化学反应活性高、工艺可控、过程连续。用液相法来合成和制备纳米材料有什么优点和缺点？优点：纳米粉纯度高，均匀性好，设备简单，原材料容易找到，化学组成容易控制。缺点：控制范围窄，主要用于氧化物纳米材料的制备。简述活性氢-熔融金属反应法，这种方法具有什么优点?日本金属材料研究所在电弧加热法的基础上，采用等离子使金属熔化，过饱和氢气是熔体雾化，汽化的的一种制备方法。优点：超微粒的生成量随等离子体中气体中氢气的浓度增加而上升。各种金属超微粒子均可采用此方法制取，纯度高，

14、产量大。溅射法制备纳米微粒的原理和优点原理：两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气，施加0.31.5kv的电压。两电极之间的辉光放电生成Ar离子，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。优点：可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。常规热蒸发法只能适用于低熔点金属。能制备多组员的化合物纳米颗粒。通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米颗粒的获得量。用机械合金法制备韧性/韧性系统的材料的机理。球磨韧性组员时，冷焊与破碎之间存在竞争机制。最初的微锻造使粉粒变成板状和碎片状，较脆的组员变成细微粒；进一步冷焊形成

15、韧性组元的复合板状结构；较长时间球磨，复合粉末微粒进一步细化，层间距减小，层变得缠绕不清，在这个阶段，合金化开始了，借助球磨产生的热量增加，产生了增加扩散途径的点阵缺陷和随着层变薄以至于用晶相显微镜不能分辨，达到原子层次的互混合，如Cu-Ni系。详细说明球磨过程分为哪几个阶段？（1）在含有高密度位错，宽大约0.5-1um的剪切带内部发生局部形变/（2）通过湮灭，在结合和重排，形成小角度晶界分割的纳米尺度上的晶胞或亚晶粒结构，进一步研磨漫延至整个颗粒/（3）晶粒的取向变成随机的或任意的，即通过晶界的滑移或旋转使低角度晶界转变成高角度晶界，最终形成无位错的纳米晶什么是激光蒸发和激光热解法？画出原理

16、图，说明产生团簇的特点。利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反气体分子激光光解，激光热解，激光光敏化和激光诱导化学合成，在一定工艺条件下（激光功率密度、反应池压力、反应气体配比和流速、反应温度）获得超细粒子空间成核和生长.LICVD具有表面清洁，粒子的大小可精确控制，无粘结，粒度分布均匀等特点，并容易制出几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。混合等离子体法的基本原理和特点此制备方法是采用RF等离子体与DC等离子组合的混合方式来获得超细粒子。由石英管外的感应线圈产生高频磁场将气体电离产生RF等离子体，由载气携带的原料经等离子体加热、反应生成超微粒子并附着在冷却壁上。由于气体或原料进入R

17、F等离子体的空间会使RF等离子体弧焰被搅乱，导致超微粒子生成困难。采用沿等离室轴向同时喷出DC（直流）等离子电弧束来防止RF等离子电弧受干扰。特点：产生RF等离子体是没有采用电极，故不产生杂质，超微细的纯度较高；气体流速比DC等离子慢，物质可以充分加热和反应；可使用非惰性气体，既能制备金属超微粒；也能制备化合物超微粒。溶胶-凝胶的基本原理是什么？优缺点。溶胶的制备：单体经水解缩合而沉淀，控制沉淀或加解凝过程，制得溶胶。溶胶-凝胶转化：溶胶粒子的聚集生长，相互连接成链，形成三维网络结构制得凝胶。凝胶陈化、干燥：是溶剂蒸发，得固相的超微粉料。优点：较高纯度、化学均匀性、颗粒细较低的反应合成温度、可

18、控材料的超微结构、条件设备和投资的经济性。缺点：干燥时收缩大，微粒表面不清洁、撒、烧结性较差、难以得到致密的块体样品。简述低压气体中蒸发法（气体冷凝法）制备纳米材料的原理和过程，如何控制纳米材料的尺寸？将物质放在低压的惰性气体腔室的蒸发皿中，高温加热至汽化/蒸发出的原子或分子与惰性气体原子或分子碰撞，迅速损失能量而冷却下来，在蒸发源附近形成的过饱和区中成核并长成原子团簇/团簇形成后，通过对流作用迅速离开过饱和区，避免团簇进一步聚集而长大，将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和长出低维材料。用气体冷凝法通过调节惰性气体的压力，蒸发物质的分压或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小，随惰性气体

19、压力的增大，离子近似的成比例增大。13、画出流动液面上真空蒸镀法的装置图，说明该方法的基本原理和优点是什么。在高真空条件下将原料放在水冷铜坩埚中，采用电子束加热蒸发/打开快门，使蒸发物质在旋转的圆盘的下表面上，从圆盘中心流出的油通过圆盘旋转时的离心力在下表面上形成流动的油膜，蒸发的原子在油膜中形成超微粒子/含有超微粒子的油被甩进了真空室沿壁的容器中，然后将这种超微粒子含量很低的油在真空下进行蒸馏，使它成为浓缩的含有超微粒子的糊状物。优点：可制备Ag，Pd，Cu，Fe，Ni，Co，Al，In等超微粒，平均粒径约3nm粒径均匀，分布窄超微粒分散的分布在油中粒径尺寸可控，即通过改变蒸发条件来控制粒径

20、的大小，圆盘转速高，蒸发速度快，油的粘度高均使粒子的粒径增大。为什么要对纳米微粒的表面进行修饰？改善或改变纳米粒子的分散性提高微粒表面活性使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能和新的功能改善纳米粒子与其他物质间的相容性什么是喷雾法？根据雾化和凝聚过程的不同分为几种方法？他们的特点是什么？将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集、热处理。特点；颗粒分布比较均匀，电脑颗粒尺寸为亚微米到10微米。喷雾干燥法、雾化水解法、物化焙烧法。金属醇盐水解法及其特点利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解，生成氢氧化物或氧化物沉淀的特

21、性，制备细粉料的一种方法。特点采用有机试剂金属醇盐的溶剂，由于有机试剂纯度高，因此氧化物粉体纯度高。可制备化学计量的复合金属氧化物粉末。解释下列名词：共沉淀法、均相沉淀法、水热法、溶胀胶束、临界胶束浓度、反胶束共沉淀法：含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，沉淀物为单一化合物或单相固溶体时。均相沉淀法：一般沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中沉淀剂的浓度，使之缓慢的增加，则使溶液中沉淀出于平衡状态，且沉淀在整个溶液中均匀的出现。水热法：指在高压反应釜内，以水溶液为反应介质，通过对反应体系加热而产生高压，从而进行无机材料的制备。溶胀胶束：在表面活性剂的作用下，若用两种或两种以上互不相容液体经混合乳

22、化后，分散液滴的直径在5nm100nm之间。临界胶束浓度：在表面活性剂增加到一定值时，表面活性剂离子或分子不但在表面聚集而形成单分子层，而且在溶液本体内部也三三两两的以憎水基相互靠拢，聚在一起形成胶束。形成胶束的最低浓度。反胶束：油滴在水中（O/W）（反胶束）形成的两种热力学稳定的、透明的单分散体系。什么是纳米材料的表面化学修饰？大致可分为几种?通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态，达到表面改性的目的称为纳米微粒表面化学修饰。偶联剂法；酯化反应法；表面接枝改性法绝热膨胀法和优点使处在高压下的纯净气体经过一个小孔向真空室膨胀。这种绝热膨胀过程把气体内能转换成横向能量，从而冷却下来凝聚成团簇。特点：可以得到相当冷团簇的连