纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016)一、填空：纳米尺度是指纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在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，其主要原因是纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面纳米材料具有高比例的内界面，包括、等根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：隧穿过程发生的条件为.磁性液体由三部分组成：、和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方向移动，即光致发光指在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在激发停止后还继续发射一定时间的光为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、和15.STM成像的两种模式是和.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？2、纳米材料的分类？3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？4、简述PVD制粉原理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？6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象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？8、解释纳米材料熔点降低现象9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明纳米科学技术（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、什么是纳米材料、纳米结构？答：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，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类;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。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？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望5、纳米材料有哪4种维度？举例说明答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体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：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应宏观量子隧道效应：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.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“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."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11.量子器件:利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件.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.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15、激子的定义是什么？答：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子通常可分为万尼尔(Wannier)激子和弗伦克尔(Frenkel)激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子"感受"到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中16、什么是超顺磁性？答：磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成"顺磁体"(paramagnetic)，其磁性很容易随周围的磁场改变而改变如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象就是所谓的超顺磁效^(SuperparaMagneticEffect)17、名词解释：STM、AFM、SEM、XRF、TEM答：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18、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响答：STMT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AFMT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CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD答: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20、详细描述纳米粒子的一种制备方法和一种应用答：物理方法1）真空冷凝法：用真空蒸发，加热，高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷，其特点纯度高，结晶组织好，粒度可控，但技术设备要求高；2）物理粉碎法：通过机械粉碎，电火花爆炸等方法得到纳米粒子，其特点操作简单，成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀；3）机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子，合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子，其特点操作简单成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀化学方法：1）气相沉积法：利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料，其特点产品纯度高，粒度分布窄；2）沉淀法：把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物；3）水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子，其特点纯度高，分散性好，粒度易控制;4）溶胶凝胶法：金属化合物经溶液，溶胶，凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子，其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和U~VI族化合物的制备；5）微乳液法：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液在微泡中经成核，聚结,团聚，热处理后得纳米粒子，其特点粒子的单分散和界面性好，口~V族半导体纳米粒子多用此法制备详细方法描述：1）惰性气体冷凝法（IGC）制备纳米粉体（固体），其主要过程是：在真空蒸发室内充入低压惰性气体（He或Ar）,将蒸发源加热蒸发，产生原子雾，与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷棒上聚集起来，将聚集的粉状颗粒刮下，传送至真空压实装置，在数百MPa至几GPa压力下制成直径为几毫米，厚度为10mm~1mm的圆片2）高能机械球磨法制备纳米粉体，它是一个无外部热能供给的、干的高能球磨过程，是一个由大晶粒变为小晶粒的过程此法可合成单质金属纳米材料，还可通过颗粒间的固相反应直接合成各种化合物（尤其是高熔点纳米材料）：大多数金属碳化物、金属间化合物、：E-V族半导体、金属-氧化物复合材料、金属-硫化物复合材料、氟化物、氮化物3）低能团簇束沉积法（LEBCD）制备，纳米薄膜该技术也是新近出现的，由Paillard等人于1994年初发展起来首先将所要沉积的材料激发成原子状态，以ArsHe气作为载体使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，然后利用飞行时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇束沉积而形成薄膜此法可有效地控制沉积在衬底上的原子数目21、详细描述一种薄膜制备的方法答：溶胶——凝胶法的机理：1）先将前驱体溶在溶剂中（就如一般的sol-gel法一样）；2）经过水解缩聚反应变为溶胶；3）溶胶再经过陈化变为湿凝胶；4）经过干燥处理变为干凝胶而对于制备纳米薄膜，则将2）步中得到的硅酸盐凝胶通过喷涂或浸渍法将其涂于基片表面，再经过空气中水分作用，发生水解和缩聚产生凝胶薄膜，而后将其干燥处理变得到纳米薄膜物理气相沉积方法制备纳米薄膜，此法作为一种常规的薄膜制备手段被广泛应用于纳米薄膜的制备与研究工作，包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等这一方法主要通过两种途径获得纳米薄膜：1）在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，比如采用共溅射法制备Si/SiO2薄膜，在700~9001氮气气氛下快速降温获得Si颗粒；2）在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制和在溅射过程中，采用高溅射气压、低溅射功率显得特别重要，这样易于得到纳米结构的薄膜22、请举出一种纳米薄膜的应用例子。答：纳米薄膜材料有诸多应用例如，作为光的传感器，金颗粒膜从可见光到红外线的范围内，光的吸收效率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件铬一三氧化二铭颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，可以有效地将太阳能转变为热能；硅、磷、硼颗粒膜可以有效地将太阳能转变为电能；氧化锡颗粒膜可制成气体一湿度多功能传感器，通过改变工作温度，可以用同一种膜有选择地检测多种气体23、磁性液体的定义及特殊性质答：定义：磁性液体又称磁液、磁流体、磁性流体或铁磁流体，是由强磁性粒子、基液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性特殊性质：1）表现为超顺磁性，本征矫顽力为0,没有制磁；2）光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色效应；3）超声波在其中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性24、举例说明：常规能源、新能源、可再生能源、不可再生能源答：常规能源：指人类已广泛使用且开发利用技术比较成熟的能源，如煤、石油、天然气、水能和生物能等常规能源是目前全世界最主要的能源，占全部能源生产消费总量的90%以上新能源：指传统能源之外的各种能源形式，即刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能（潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能）、生物质能和核聚变能等可再生能源：泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类历史时期内都不会耗尽的能源，但可再生能源不包含现时有限的能源如太阳能、地热能、水能、风能、生物能、潮汐能不可再生能源：指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，叫"不可再生能源"如煤、石油、天然气、核能、油页岩25、Graphene（石墨烯）的显著特征是什么？答：1）具有比硅高得多的载流子迁移率，在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度，是纳米电路的理想材料；2）电子运输特性表现出了异常的整数量子霍尔效应；3）石墨烯结构非常稳定，迄今为止研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况；4）尽管只有单层原子厚度，但石墨烯具有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光；5）石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上10。倍26、什么是纳米管、量子点？答：纳米管：纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管两端基本上都封口）的一维量子材料纳米管的硬度要比钢材坚硬100倍它可以耐受6500°F（3593。0的高温，并且具有卓越的导热性能纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体纳米管在极低的温度下还具有超导性量子点：量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为"人造原子"27、解释：SWNTS、MWNTS答：SWNTS单壁碳纳米管MWNTS多壁碳纳米管各章具体要求第一章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9、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1nm）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：）人造原子含有一定数量的真正原子；）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的刀键垂直于球面，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,。键和刀键的夹角为101.640D、由于C60的共轭n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。60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形纳米管18、碳纳米管的性质和应用：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（，？1^）针尖⑹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_早体积效应：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、3、表(界)面效应的主要影响：.表面化学反应活性(可参与反应).催化活性.纳米材料的(不)稳定性.铁磁质的居里温度降低.熔点降低.烧结温度降低.晶化温度降低.纳米材料的超塑性和超延展性.介电材料的高介电常数(界面极化)4、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）5、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：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.电子限域在小体积中运动；量子限域效应.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弓I起的光吸收带和吸收边发生红移；.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；.外加压力使能隙减小；.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、试述纳米材料的光致发光不同于常规材料的原因由于颗粒很小，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；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；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5、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一还原能力，提高了半导体光催化氧化有机物的活性量子尺寸效应B电子空穴分离效率高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1距离处的势垒高度为：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⑷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