纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016)

一、填空：

1.纳米尺度是指

2.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

3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术

4.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

5.一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

7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面

8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等

9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：

10.隧穿过程发生的条件为.

11.磁性液体由三部分组成：、和

12.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

13.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

14.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

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、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

8．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

9“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10．“自下而上”(bottom up)：

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

12．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

13．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应（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