纳米电子材料与器件试卷（填空+简答+论述）

纳⽶电⼦材料与器件试卷（填空+简答+论述）
⼀、填空：（每空1 分，总共30分）
1. 纳⽶尺度是指1~100nm。

2. 纳⽶科学是研究纳⽶尺度内原⼦、分⼦和其他类型物质运动和变化的科学。

3. 纳⽶技术是在纳⽶尺度范围内对原⼦、分⼦等进⾏操纵和加⼯的技术。

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
为低维材料。

5. ⼀维纳⽶材料中电⼦在 2 个⽅向受到约束，仅能在 1 个⽅向⾃由运动，即
电⼦在 2 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，⼜称为量⼦线。

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
是材料的密度偏低。

7. 纳⽶材料热⼒学上的不稳定性表现在纳⽶晶粒容易长⼤和相变两个⽅
⾯。

8. 纳⽶材料具有⾼⽐例的内界⾯，包括晶界、相界、畴界等。

9. 根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：⽔溶液溶胶-凝胶法和醇盐溶胶-凝胶法
10. 隧穿过程发⽣的条件为|Q| > e/2 。

11. 磁性液体由三部分组成：磁性颗粒、表⾯活性剂和基液。

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
短波⽅向移动，即蓝移。

13. 光致发光指在⼀定波长光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荧光。

在激发停⽌后还继续发射⼀定时间的光为磷光。

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：扶⼿椅型、锯齿型、螺旋型
15. STM 成像的两种模式是恒电流模式和恒⾼度模式。

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？
答：主要有两种技术：Top down（由上⽽下）的⽅法和Bottom up（由下⽽上）的⽅法（2 分）；Top down 由上⽽下的⽅法是⼀种采⽤物理和化学⽅法对宏观物质的超细化的纳⽶科技的研究⽅法。

Bottom up 由下⽽上的⽅法，以原⼦、分⼦、团簇等为基元组装具有特定功能的器件、材料。

纳⽶科技的最终⽬的是以原⼦、分⼦为起点，去制造具有特殊功能的产品。

2、纳⽶材料的分类？
答：纳⽶材料通常按照维度进⾏分类。

超细粒⼦，团簇→0 维材料
纳⽶线或管→1 维纳⽶材料
纳⽶膜→ 2 维纳⽶材料
纳⽶块体→ 3 维纳⽶材料
3、纳⽶颗粒与微细颗粒及原⼦团簇的区别？
答：1）尺度上：分别为10-9~10-7m, 10-7~10-5m, <10-9m
2）物理与化学性质上：
（1）微细颗粒不具有量⼦效应，纳⽶颗粒有量⼦效应；
（2）团簇有量⼦效应和幻术效应，⽽纳⽶颗粒不具有幻数效应。

4、简述PVD 制粉原理。

答：在蒸发过程中，蒸⽓中原材料的原⼦由于不断地与惰性⽓体原⼦相碰撞损失能量⽽迅速
冷却，这将在蒸⽓中造成很⾼的局域过饱和，促进蒸⽓中原材料的原⼦均匀成核，形成原⼦团，原⼦团长⼤形成纳⽶粒⼦，最终在冷阱或容器的表⾯冷却、凝聚，收集冷阱或容器表⾯的蒸发沉积层就可获得纳⽶粉体。

通过调节蒸发的温度和惰性⽓体的压⼒等参数可控制纳⽶粉的粒径。

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？
答：
1）对于粗晶⾦属，在杂质含量⼀定的条件下，由于晶界的体积分数很⼩，晶界对电⼦的散射是相对稳定的。

因此，普通粗晶和微⽶晶⾦属的电导可以认为与晶粒的⼤⼩⽆关。

2）对于纳⽶晶材料，由于含有⼤量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺⼨的减⼩⽽⼤幅度上升，纳⽶材料的界⾯效应的影响不能忽略。

纳⽶材料的电导具有尺⼨效应，特别是晶粒⼩于某⼀临界尺⼨时，量⼦限制将使电导量⼦化。

纳⽶材料的电导将显⽰出许多不同于普通粗晶材料电导的性能。

例如：纳⽶晶⾦属块体材料的电导随着晶粒度的减⼩⽽减⼩，电阻的温度系数亦随着晶粒的减⼩⽽减⼩，甚⾄出现负的电阻温度系数。

6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象。

答：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向短波⽅向移动，即蓝移。

由于纳⽶颗粒尺度⼩，⽽具有⼤的表⾯张⼒，造成晶格畸变，晶格常数变⼩，键长缩短，导致纳⽶微粒的键本征振动频率增⼤，使光吸收带移向了⾼波数。

界⾯效应引起纳⽶材料的谱线蓝移
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？
答：量⼦尺⼨效应使纳⽶光学材料对某种波长的光吸收带有蓝移现象，纳⽶粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象，纳⽶微粒紫外吸收材料就是利⽤这两个特性。

对紫外吸收好的材料有三种：TiO2 纳⽶粒⼦的树脂膜、Fe2O3 纳⽶微粒的聚合物膜和纳⽶Al2O3 粉体。

⼤⽓中的紫外线在300~400nm 波段，在防晒油、化妆品中加⼊纳⽶微粒，对这个波段的紫外光线进⾏强吸收，可减少进⼊⼈体的紫外线，起到防晒作⽤。

8、解释纳⽶材料熔点降低现象。

答：晶体的⾃由表⾯和内界⾯（如晶界、相界等）处原⼦的排布与晶体内部的完整晶格有很⼤差异，且界⾯原⼦具有较⾼的⾃由能。

因此，熔化通常源于具有较⾼能量的晶体表⾯或界⾯。

晶粒尺⼨减⼩，使各种界⾯增多、表⾯积增⼤，熔化的⾮均匀形性位置增多，从⽽导致熔化在较低温度下开始，即熔点降低。

9、AFM 针尖状况对图像有何影响？画简图说明。

1) 针尖不够尖
2) 针尖的长径⽐不够⼤
3) 针尖被污染
三、计算题：（10 分）
某颗粒组元的平均直径为d=5nm，界⾯平均厚度Δ=1nm，求界⾯体积分数φ，颗粒组元体积分数R 和单位体积内的界⾯⾯积St。

四、论述题：（15 分）
纳⽶磁性材料的哪些磁学性能具有显著的尺⼨效应?
答：当磁性物质的晶粒尺度进⼊纳⽶范围时，其磁学性能具有明显的尺⼨效应，使纳
⽶材料具有许多粗晶或微⽶晶材料所不具备的磁学持性。

例如纳⽶丝，由于其长径⽐很⼤，具有很强的形状各向异性。

当其直径⼩于某⼀临界
值时，在零磁场下具有沿丝轴⽅向磁化的特性。

此外，矫顽⼒、饱和磁化强度、居⾥
温度等磁学参数都与晶粒尺⼨相关。

1）磁学性能中，矫顽⼒的⼤⼩受晶粒尺⼨变化的影响最为强烈。

对于⼤致球形的晶粒，矫顽⼒随晶粒尺⼨的减⼩⽽增加，达到⼀最⼤值后，随着晶粒的进⼀步减⼩矫顽⼒反
⽽下降。

对应于最⼤矫顽⼒的晶粒尺⼨相当于单畴的尺⼨。

对于不同的合⾦系统，其
尺⼨范围在⼗⼏⾄⼏百纳⽶。

当晶粒尺⼨⼤于单畴尺⼨时，矫顽⼒随晶粒尺⼨D 的减⼩⽽增加。

当纳⽶材料的晶粒尺⼨⼩于某⼀尺⼨后，矫顽⼒随晶粒的减⼩急剧降低。

2）超顺磁性具有强烈的尺⼨效应。

材料的尺⼨是该材料是否处于超顺磁状态的决定因素。

3）微⽶晶的饱和磁化强度对晶粒或粒⼦的尺⼨不敏感。

当尺⼨降到20nm 或以下时，由于位于表⾯或界⾯的原⼦占据相当⼤的⽐例，⽽表⾯原⼦的原⼦结构和对称性不同
于内部的原⼦，因⽽将强烈地降低饱和磁化强度Ms。

4）纳⽶材料通常具有较低的居⾥温度。

5）纳⽶微粒的磁化率与它所含的总电⼦数的奇偶性和尺度密切相关。

电⼦数为奇或偶数的粒⼦磁性有不同温度特点。

电⼦数为奇数的粒⼦，磁化率服从居⾥-外斯定律，且
遵从d-3
规律。

电⼦数为偶数的系统，磁化率与温度成正⽐，且遵从d2
规律。