纳米材料考试参考答案

纳米材料考试参考答案纳米材料考试参考答案纳米材料考试参考答案纳米材料考试参考答案编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编:纳米材料考试参考答案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(10–7)到十亿分之一米(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纳米材料• 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。• 即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。• 纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。量子尺寸效应3 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4 “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。5 “自下而上”(bottomup)：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。6 量子器件:利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件7 纳米材料与传统材料的主要差别：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。8纳米科技的分类纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：• 纳米材料纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础• 纳米器件所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。• 纳米尺度的检测和表征9 纳米技术与微电子技术的主要区别是：• 纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；• 而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。• 人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。第二页1、了解纳米技术提出的背景及发展过程背景：1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；发展过程：1987年，Bell实验室的科学家发明了一种靠单电子作为电流开头的晶体管。世界上第一个单电子晶体管诞生。1988年，Dupont公司的科研人员W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个人为设计的蛋白质诞生了。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；1993年，第一个致力于纳米技术研究的实验室在美国Rice大学诞生。1999年，美国耶鲁大学的科学家创造了单分子有机开关。2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划(NNI)，NNI的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到普遍的接受。自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮。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）3、与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜2010年：英国曼彻斯特大学科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖。4、世界上第一个单电子晶体管何年诞生（1987）5、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生（1988）6、第一届国际纳米科技会议何年在哪召开1990年7月，美国巴尔的摩7、世界上第一个致力于纳米技术的实验室何年在哪诞生？1993年美国Rice大学8、首届纳米材料会议在哪召开1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开团簇：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lnm)。纳米微粒：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。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。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。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100nm。人造原子与真正原子的相似和不同之处：1）人造原子含有一定数量的真正原子；2）形状和对称性多种多样（形貌），真正原子可用球形或立方形描述。3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多（多电子交互作用）。4）实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势。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σ键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的σ键，也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的σ键，是以sp2.28杂化轨道形成的σ键。单键键长为0.145nm。B、C60的л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0.14nm。C、C60中两个σ键间的夹角为106o，σ键和л键的夹角为101.64o。D、由于C60的共轭π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。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。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形纳米管。碳纳米管的性质和应用：1.性能（1）电磁性能：碳纳米管具有螺旋、管状结构，预示其具有不同寻常的电磁性能。由于直径和螺旋性不同，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，因而不必掺杂就可以制成一维半导体-金属器件；（2）力学性能：具有低密度、高弹性模量、高强度；（3）热学性能：高的热传导率；（4）吸附性能：具有很强的毛细吸引力。2应用（1）场发射(2)修饰电极(3)分子电子器件(4)导电或抗静电塑料（5）探针显微镜(SPM)针尖(6)复合增强材料（7）储气（8）催化剂载体（9）作为模板合成其它纳米管第二章1.体积效应：纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少。许多现象不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应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。4.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(1)久保理论的两个假设是什么?A简并液体费米假设——久保把超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子期，并进一步假设他们的能级为准粒子态的不连续能级；B超微粒子电中性假设：对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的。2、试推导久保公式：相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系设金属颗粒体积V减小，电子密度n=N/V不变，m为电子质量，利用自由电子气模型，费米能量EF,只要电子密度恒定，不论颗粒大小，EF不变。态密度(densityofstate):即单位能量的状态数N(E),对于能量低于E的状态数有状态密度为在EF处的状态密度为在EF处，能级间距δ，一个能级有两个自旋态即所以对比宏观固体V—N~1024,趋于无穷，δ---0。当粒子为球形时，3、电子能态密度从3维到0维是如何变化的随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出现完全分离的能级。（4）.表（界）面效应的主要影响：1、表面化学反应活性(可参与反应)。2、催化活性。3、纳米材料的（不）稳定性。4、铁磁质的居里温度降低。5、熔点降低。6、烧结温度降低。7、晶化温度降低。8、纳米材料的超塑性和超延展性。9、介电材料的高介电常数（界面极化）。10、吸收光谱的红移现象。（5）、小尺寸效应的主要影响：1、金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量2、宽频带强吸收性质（光波波长）3、激子增强吸收现象（激子半径）4、磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）5、超导相向正常相的转变（超导相干长度）6、磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）（6）纳米微粒表现出与宏观块体材料不同的的微观特性和宏观性质。A导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体。绝缘体氧化物相反。B磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。C比热亦会发生反常变化，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。D光谱线会产生向短波长方向的移动。E催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。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。熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加答：熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加A熔点下降的原因：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烧结温度降低原因：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2、试解释磁性纳米颗粒尺寸小到一定临界值时出现超顺磁性的原因。超顺磁状态的起源可归为以下原因：A当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向)减小到与热运动能可相比拟，在热扰动作用下，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，结果导致超顺磁性的出现。B不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的。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：一、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。二、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1）电子限域在小体积中运动；量子限域效应2）粒径减小，内应力（P=2g/r，r为半径，g为表面能）增加，这种内应力的增加会导致能带结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，这就导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移；3）能级中存在附加能级，如缺陷能级，使电子跃迁能级间距减小；4）外加压力使能隙减小；5）空位、杂质的存在使平均原子间距R增大，导致能级间距变小。键长的变长光吸收带的位置是由影响蜂位的蓝移因素和红移因素共同作用的结果，如果前者的影响大于后者，吸收带蓝移，反之，红移。4、简述纳米材料的硬度与尺寸关系中存在的三种情况。1)正Hall-Petch关系K>0：与常规晶粒一样，硬度随尺寸减小而增大。2)负Hall-Petch关系K<0，硬度随尺寸减小而下降，在常规多晶材料中未出现过。3)正－反Hall-Petch关系，K有一转折点，当平均晶粒直径d>dc时，K>0，正Hall-Petch关系；d<dc时，K<0，负Hall-Petch关系。5、试述纳米材料的光致发光不同于常规材料的原因。1）由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子、特别是表面激子很容易形成，因此容易产生激子发光带；2）界面体积大，存在大量的缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级；3）平移周期被破坏，在K空间常规材料中电子跃迁的选择定则可能不适用。晶体场不对称4）杂质能级---杂质发光带处于较低能量位置，发光带比较宽。6、试述半导体催化剂的微粒尺寸减小，其光催化效率提高的原因。A能隙变宽(1)当半导体粒子的粒径小于某一临界值(一般约为10nm)时，量子尺寸效应变得显著，电荷载体就会显示出量子行为，主要表现在导带和价带变成分立能级，能隙变宽，价带电位变得更正，导带电位变得更负，这实际上增加了光生电子和空穴的氧化—还原能力，提高了半导体光催化氧化有机物的活性。(2)量子尺寸效应B电子空穴分离效率高(1)半导体纳米粒子粒径通常小于空间电荷层的厚度，在离开粒子中心的L距离处的势垒高度为：(2)LD是半导体的德拜长度，空间电荷层的任何影响都可以忽略。(3)光生载流子(电子、空穴）通过简单的扩散从粒子的内部迁移到粒子的表面与电子给体或受体发生氧化或还原反应。(4)在光催化剂中电子和空穴的俘获过程是很快的• 这意味着半径越小，光生载流子从体内扩散到表面所需的时间越短，光生电荷分离效果就越高，电子和空穴的复合概率就越小，从而导致光催化活性的提高。• 提高电子空穴分离效率C吸附能力强。• 纳米粒子的尺寸很小，处于表面的原子很多，比表面积很大，吸附有机污染物的能力提高，光催化降解有机污染物的能力提高。• 研究表明，在光催化体系中，反应物吸附在催化剂表面上是光催化反应的一个前置步骤，纳米半导体粒子强的吸附效应甚至允许光生载流子优先与吸附的物质反应，而不管溶液中其他物质的氧化还原电位的顺序。• 表面效应1、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≤10Å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1Å，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）2、列举高能入射电子束轰击样品表面从样品中激发出的各种有用的信息1)二次电子—从距样品表面l00Å左右深度范围内激发出来的低能电子。<50eV---SEM2)背散射电子—从距样品表面0.1—1μm深度范围内散射回来的入射电子，其能量近似入射电子能量。SEM、低能电子衍射4原子核(连续波长X射线)和核外电子(二次电子和特征X射线)5)俄歇电子—从距样品表面几Å深度范围内发射的并具有特征能量的二次电子。Element6)非弹性散射电子—入射电子受到原子核的吸引改变方向电子。能量损失谱。3、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。1