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18、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响答：STM工作原理：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AFM工作原理：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Ⅱ～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，Ⅱ～Ⅵ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、Ⅲ-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Ar、He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700～900℃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。