《专题研究》试卷--郑超

2014级《专题研究》试卷1.解释p-n结的形成及光生伏特效应。

答:p-n结的形成:当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。

这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。

N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。

达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。

“光生伏特效应”（ Photovoltaic effect），简称“光伏效应”。

光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。

通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。

界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

2.简述半导体光催化在环境光催化和能源光催化中的应用。

环境光催化方面：我们面临越来越严重的空气污染，来自工业生产、汽车尾气释放的有机气体造成了室内外的空气质量显著下降．研究表明，利用TiO2光催化所产生的活性氧可有效地降解这些有机污染物，而且不产生二次污染。

例如，在居室墙壁，陶瓷等建材表面，涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，不仅能减少空气中的微生物和病菌污染颗粒，而且还能有效降解空气中的各种有害有机物质和臭味物质，净化室内空气，改善空气质量。

能源光催化：以光催化制氢为例。

目前的氢能还主要是依靠煤和天然气的重整来获得，这必然会加剧非可再生能源的消耗，而且还会带来环境污染问题。

以水和生物质等可再生物资为原料，利用太阳能光催化分解水制氢的方法可以从根本上解决能源及环境污染问题，光催化分解水制氢已成为新能源探索的研究热点之一。

3.简述目前商业化的电化学能量存储系统有哪些，各自优缺点以及未来发展趋势？全钒液流电池：优点为，钒离子溶解于水溶液，在充、放电过程中，只发生钒离子的价态变化，因此充放电应答速度快；电解质溶液为水溶液，无潜在爆炸或着火危险，安全性高；钒离子作为唯一的金属离子，离子环境单一，则增加其使用寿命；电池材料廉价，前期投资少。

缺点是，电池总体效率低，占用体积大，设备容易被腐蚀，且对运行环境温度要求苛刻。

钠硫电池：优点是，比能量高，理论比能量达760W·h/kg；充放电效率高；由于采用固态电解质，因此没有自放电，能量效率高；能耐2000次以上的充放电，寿命长，无污染。

缺点是：钠硫电池不能过充与过放，需要严格控制电池的充放电状态；电解质变质或者受到破坏，容易在电池内部造成钠和硫的短路而烧毁；硫和钠在350℃时熔解，因此需要外接加热设备。

锂离子电池：优点是，锂离子电池能量密度大，实际比能量大，使用寿命长，相比其他电池有明显优势，同时具有重量轻、高低温适应性强、绿色环保等优点。

缺点：有发生爆炸的危险，且其工作温度范围相对狭窄，管理要求高，且其价格昂贵，锂的储量有限，无法满足大规模储能的需求。

趋势：目前市场上，全钒液流电池、锂离子电池、钠硫电池是最常用的储能的3种电池。

随着对电池的性能、储能价格等要求不断提高，液态金属电池、质子交换膜燃料电池、钠离子电池等新型电池储能技术逐渐得到发展与应用。

4.我认识的纳米摩擦学。

答: 定义:纳米摩擦学，也称为微观摩擦学或分子摩擦学，它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。

特点: 纳米摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大差别。

主要有以下几点：在研究仪器方面，主要是扫描探针显微镜，它包括原子力显微镜、摩擦力显微镜以及专门的微型实验装置；在理论分析方面，由分子、原子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力模型。

而宏观摩擦学，通常是根据材料表明的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学，包括断裂和疲劳理论作为分析的基础。

研究现状: 目前,针对纳米润滑油添加剂摩擦学性能的研究受到了广泛关注。

随着微观摩擦学的进展，纳米级金属粉作为新型润滑介质添加剂在近年来得到广泛研究和应用，研究表明纳米金属粉作为添加剂加入润滑油中表现出了极好的极压性能，超细金属粉以适当方式分散于各种润滑油中可形成一种稳定的悬浮液，这种润滑油能大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。

纳米摩擦学是一种新的研究模式与思维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构和宏观特性之间的构型关系，因此更加符合摩擦学的研究规律，标志着摩擦学学科发展到一个新阶段。

5.纳米材料最主要的研究成果有哪些？1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。

被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量。

2006年4月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。

2010年石墨烯纳米材料取得了很大成功2014年蓝色发光二极管出现，使能源界发生了一场崭新的革命6.简述研究生从事科研实验中的重要素质并结合自己情况简要说明。

答：我认为作为一名合格的研究生，应具有（1）科研创新能力。

科研创新能力是对未知世界的探究能力和发明新事物的能力，是科研能力的核心部分。

（2）发现问题和解决问题的能力。

科学发现往往从问题开始，问题始终贯穿于科学研究的全过程，同时也是科学研究的落脚点，因而问题发现和问题解决能力是必备的一项基本科研能力。

（3）资料搜集和处理能力。

科学研究是继承和创新的结合，是系统地搜集和评价信息的探索过程。

科学研究的结果必须建立在搜集资料并对之进行有效处理的基础上。

此外，还应具有的六大重要素质与能力：文献处理能力，实验设计能力，实验操作能力，写作能力，合作交流能力，申请基金能力。

科研实验中，要遵守实验室的有关规定，要有严谨的科学态度，逐步提高科研能力和科研素质。

7.请列举一个有机命名反应并阐述其反应机理。

Beckmann 重排：肟在酸如硫酸、多聚磷酸以及能产生强酸的五氯化磷、三氯化磷、苯磺酰氯、亚硫酰氯等作用下发生重排，生成相应的取代酰胺。

反应机理：在酸作用下，肟首先发生质子化，然后脱去一分子水，同时与羟基处于反位的基团迁移到缺电子的氮原子上，所形成的碳正离子与水反应得到酰胺。

8.论述你对微纳加工（纳米压印、电子束刻蚀等）的认识及其在现代微电子学中的重要作用。

认识：微纳加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级，微纳米加工技术往往牵涉材料的原子级尺度，正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的蓬勃发展，。

纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是关于如何将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，也是关于人类对自然的认识和改造如何从宏观领域进入到微观领域。

作用：现代微纳米加工技术已经能够将上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上.最小电路尺寸为90nm的集成电路芯片已经开始大规模生产.65nm的集成电路芯片已开始小批量工业化生产,而45nm加工水平的集成电路已经在研发阶段.除了集成电路芯片中的晶体管越做越小,微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸.微纳米加工技术可以制作单电子晶体管,可以实现单个分子与原子操纵.微纳米加工技术可以建筑人类进入微观世界的桥梁,是人类了解和利用微观世界的工具.因此了解微纳米加工技术对于理解微纳米技术,以及由微纳米技术支撑的现代高科技产业是非常重要的.9.有机半导体同无机半导体在电性质方面有什么差别？并举例说明有机半导体的分类。

差别：无机半导体中的载流子是高度离域的，在外加电压的作用下会在连续的导带或者价带中定向移动。

而在有机半导体材料中，分子与分子之间仅有微弱的范德华力，载流子的离域程度通常仅限于一个分子之内。

只有在有机半导体的单晶材料中才会出现载流子在几个相邻分子之间离域的情况。

因此，在非晶态的有机半导体材料中，电荷在不同分子之间的传递要通过“跳跃”的方式完成。

跳跃传输的有效程度与相邻分子之间的重叠程度有关，重叠度越高，跳跃传输的速度越快。

很显然，跳跃传输远不如无机半导体中的带传输有效，所以有机半导体材料中的载流子迁移率通常很低。

无机半导体的载流子迁移率通常会随着温度的上升而下降，因为材料中的缺陷会随温度的升高而增加，从而增加载流子的复合几率。

而与此不同的是，非晶态有机半导体材料中的载流子迁移率会在一定范围办随着温度的增加而提高分类：光盘：当下主流的DVD 光盘通常以花菁及酞菁为数字信息的载体。

这些有机半导体材料在激光照射下会改变分子构型，从而完成0 和1 的记录。

有机发光二极管：即OLED。

OLED 以有机半导体异质结为基础，通过电子和空穴在异质结处的湮灭而发光。

OLED 可以制成柔性的、大面积的显示器。

传感器：对有机半导体材料进行掺杂或者去掺杂会极大地改变其电性质，这个特点可以利用在传感器上，因为有许多待检测的气体本身可以作为有机半导体材料的掺杂剂。

有机太阳能电池：在能源领域的应用，将是有机半导体材料的最有意义的应用。

10.在纳米晶制备过程中，影响纳米晶形貌和尺寸的主要因素有哪些？材料的内在结构是首要考虑的因素，因为结构的对称性在材料生长过程中起着主导作用，它们本身所属的空间群结构往往决定了最终的形貌类型和尺寸大小。

（1）表面活性剂的影响表面活性剂常被作为纳米晶的稳定剂或引导剂，用于实现对纳米晶形貌和大小的控制合成，因为它们对形成具有不同形态结构的纳米晶起到重要作用。

表面活性剂对晶体生长及形貌形成的影响主要在于表面活性剂在晶体不同晶面上的吸附作用和对晶面生长的影响。

（2）添加剂对形貌的控制添加剂影响纳米材料形貌的主要原因在于：添加剂可以附着在晶体表面，影响晶体的成核和生长，从而控制氧化锌的形貌和尺寸。

（3）温度对纳米晶形貌的影响温度对纳米晶形貌的影响: 反应温度较低时，成核及成长速率较慢；成核及成长速率随着反应温度的升高而加快；产物颗粒相应减小；但如果反应温度太高，由于成核速率超过晶粒成长速率,形状越混杂.并且也影响分散性。