纳米材料试题

1.什么是纳米科学技术(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.简述纳米科技的主要研究内容:创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科（1）纳米电子学、（2）纳米物理学、（3）纳米化学、（4）纳米生物学、（5）纳米加工学、（6）纳米计量学(定位、测长等)。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。3.纳米材料(Nanomaterials)的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围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在1-100纳米范围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。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.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。4.纳米材料如何分类(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按结构(维度thenumberofdimensions）分为5类：(1)0维材料quasi-zerodimensional—三维尺寸为纳米级(100nm)以下的颗粒状物质。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1维材料—线径为1—100nm的纤维(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2维材料—厚度为1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。ananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)。MCM-41;SAB-15;Nanoporoussilicon;Activatedcarbons按组成（component）分类金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料、复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料、无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料…………从应用的角度看，纳米材料可以分为两大类：一类距现在的应用相对较远，如纳米量子结构、量子器件等，但是这类材料和器件的发展将大大拓展和深化人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料及器件，将导致信息、能源、环境、医疗、生物与农业等领域的技术变革。如芯片另一类具有现实的应用，并且在传统产业的改造和高新技术的发展过程中起到了重要的作用。如纳米复合材料如碳纳米管增强Cu。5.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。比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率6.目前我们实验室的主要研究内容：A制备纳米尺寸范围材料的相关技术液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、化学镀法。气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微弧氧化法。B分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度仪，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可见光吸收光谱，荧光光谱，热分析，磁性仪等。C纳米体系物质的物理性能如小尺寸效应，隧道效应，表面效应，量子尺寸效应，光、电、热、磁效应等。D纳米体系物质的化学性能纳米金属粒子、半导体粒子等,如化学活性、催化性能、稳定性、生物活性等。E纳米体系物质的应用如Nano-Pd/Al2O3，CO助燃剂；Nano-TiO2：抗菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯胺：化学传感器；V2O5：锂电池正极材料等。7.制造纳米产品的技术路线可分为哪两种：“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。如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。特点：尺寸从大到小“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。如化学合成、自组装、定位组装等。纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。第二阶段(1994年前)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，复合纳米薄膜(0-2复合)。

第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。9．简述纳米材料分析的特点与分析的意义纳米材料分析的特点纳米材料具有许多优良的特性诸如高比表面、高电导、高硬度、高磁化率等；纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm～100nm之间)研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。纳米材料分析的意义

纳米技术与纳米材料属于高技术领域，许多研究人员及相关人员对纳米材料还不是很熟悉，尤其是对如何分析和表征纳米材料，获得纳米材料的一些特征信息。纳米材料的成份分析，形貌分析，粒度分析，结构分析以及表面界面分析等几个方面。10．成分分析的重要性；成分分析类型和范围；纳米材料成份分析种类成分分析的重要性纳米材料的光电声热磁等物理性能与组成纳米材料的化学成分和结构具有密切关系；TiO2纳米光催化剂掺杂C,N例子说明纳米发光材料中的杂质种类和浓度还可能对发光器件的性能产生影响据报；如通过在ZnS中掺杂不同的离子可调节在可见区域的各种颜色因此确定纳米材料的元素组成测定纳米材料中杂质的种类和浓度是纳米材料分析的重要内容之一。成分分析类型和范围纳米材料成分分析按照分析对象和要求可以分为微量样品分析和痕量成分分析两种类型；纳米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分为体相元素成分分析表面成分分析和微区成分分析等方法；为达此目的纳米材料成分分析按照分析手段不同又分为光谱分析质谱分析和能谱分析；纳米材料成份分析种类光谱分析主要包括火焰和电热原子吸收光谱AAS，电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-OES，X-射线荧光光谱XFS和X-射线衍射光谱分析法XRD；质谱分析主要包括电感耦合等离子体质谱ICP-MS和飞行时间二次离子质谱法TOF-SIMS能谱分析主要包括X射线光电子能谱XPS和俄歇电子能谱法AES11.表面与界面分析的意义及现代仪器分析方法电子材料研究的必要；薄膜材料研究的必要；催化材料研究的必要；纳米材料研究的需要；表面与界面现象的普遍性；材料的性能：取决于表面与界面特征。X射线光电子能谱（XPSorESCA）紫外光电子能谱（UPS)俄歇电子能谱（AES）低能离子散射谱（ISS）低能电子能量损失谱（EELS)二次离子质谱（SIMS)低能电子衍射（LEED)12．简述表面分析研究内容与表面分析信息和特点研究内容表面元素成分及其化学状态；表面元素鉴定，存在化学状态，化学键合状态，定量情况表面几何结构；原子的二维排列次序；表面的电子结构；电子能态密度分布等。表面上的原子运动；表面扩散，吸附以及反应等。表面分析信息表面元素分析；表面元素的化学状态；表面与界面的半定量分析；元素与化学态沿深度方向的分布分析；样品表面的选点分析；样品表面的线扫描分析；样品表面的元素面分布；价态电子结构分析特点表面性表面只占体相的很小部分，表面单分子层的电离截面很小。要求有很高的灵敏度；表面上存在大量悬挂化学健；其化学状态可能与体相不同。13.XPS化学价态分析的特点表面元素化学价态分析是XPS的最重要的一种分析功能，也是XPS谱图解析最难，比较容易发生错误的部分。在进行元素化学价态分析前，首先必须对结合能进行正确的校准。因为结合能随化学环境的变化较小，而当荷电校准误差较大时，很容易标错元素的化学价态。此外，有一些化合物的标准数据依据不同的作者和仪器状态存在很大的差异，在这种情况下这些标准数据仅能作为参考，最好是自己制备标准样，这样才能获得正确的结果。有一些化合物的元素不存在标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比。还有一些元素的化学位移很小，用XPS的结合能不能有效地进行化学价态分析，在这种情况下，可以从线形及伴峰结构进行分析，同样也可以获得化学价态的信息在PZT薄膜表面，C1s的结合能为285.0eV和281.5eV，分别对应于有机碳和金属碳化物。有机碳是主要成分，可能是由表面污染所产生的。随着溅射深度的增加，有机碳的信号减弱，而金属碳化物的峰增强。这结果说明在PZT薄膜内部的碳主要以金属碳化物存在。14.简述纳米催化1.纳米粒子的化学催化化学催化的作用主要可归结为3个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化，脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。纳米粒子的催化作用不仅表现为高活性，而且还提高了化学反应的选择性2.半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了对有机物的降解。纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多。最近十几年来，半导体光催化在应用中得到飞快的发展。3.纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药中，增加爆炸效率，也可以作为引爆剂进行使用。15.国内外制备核-壳材料的主要研究小组德国的FrankCaruso小组；美国EgonMatijevic，YouNanXia小组；以色列的A.Gedanken小组，西班牙的LuisM.liz-Marzan小组等，国内的吉林大学、南京大学、复旦大学、北京化学所、长春应化所等单位。16.核-壳结构材料的分类与作用机理按包覆类型：微米-亚微米包覆、微米-纳米包覆、亚微米-纳米包覆、纳米-纳米包覆、微米-微米包覆。核-壳结构材料核材和壳材之间的作用机理（1）化学键作用机理、（2）静电相互作用机理、（3）吸附层媒介作用机理（1）化学键作用机理荧光粉Ca0.8Sr0.2S:Eu2+,Tm3+的表面通过化学键的作用包覆ZnO,Al2O3（2）静电相互作用机理PS颗粒表面通过静电作用包覆CdTe如:LBL技术主要采用静电作用机理，根据相反电荷的物质的相互吸引作用完成包覆（3）吸附层媒介作用机理17.核-壳结构材料的制备技术（1）无机/有机核-壳结构材料1）乳液聚合（SiO2/PS）2）原子转移自由基聚合法（ATRP）3）自组装法(2)有机/有机核-壳结构材料1）沉积聚合（poly(DVB-55)/poly(EGDMA-co-DVB-80)