《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。