纳米材料知识点

第一次作业

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？

纳米材料通常按照维度进行分类。

超细粒子，团簇T 0维材料

纳米线或管T1维纳米材料

纳米膜t 2 维纳米材料

纳米块体t 3 维纳米材料

第二次作业

1 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：TiO

2 纳米粒子的树脂膜、Fe2O

3 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。

2 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。

第三次作业：

1 纳米材料有哪些基本效应？试举例说明。答：纳米材料基本效应有尺寸效应、形状效应、量子效应和界面效应。其中尺寸效应和形状效应是纳米材料最重要的基本效应。

⑴ 米材料具有强烈的尺寸效应

所谓尺寸效应就是当纳米材料的组成相的尺寸如晶粒的尺寸、第二相粒子的尺寸减小时，纳米材料的性能会发生变化，当组成相的尺寸小到与某一临界尺寸相当时，材料的性能将发生明显的变

化或突变。例如：a -Fe、Fe3O4 a -Fe2O3的矫顽力随着粒径

地减小而增加，但当粒径小于临界尺寸时它们将由铁磁体变为超顺磁体，矫顽力变为零。库仑阻塞效应是纳米材料具有尺寸效应的又一实例。纳米材料的尺寸效应还涉及纳米结构的稳定性，当纳米结构的尺寸小于某一临界尺寸时就要发生纳米晶向非晶态

转变的相变。

⑵ 米材料具有强烈的形状效应

由于纳米结构或其基本单元的形状变化所引起的宏观物理、化学性质的变为称为纳米材料的形状效应。

纳米结构和纳米材料形状的变化可以强烈地改变电子能态密度和改变表面原子的排列，分布及表面能，一次可使材料的宏观性能特别是磁、光、催化等性能发生明显的变化。例如：当纳米粒子由实心变成空心后，吸收光谱出现明显的“红移”现象，如Ag 纳米粒子变成空心后其吸收光谱可“红移” 200nm。

⑶ 米材料具有尺寸效应的技基础是量子效应和界面效应

①量子效应：随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电

子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的

最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象

均称为量子效应。量子效应即为电子的能量被量子化，电子的运动受到约束。量子效应还可称为量子限域效应、量子尺寸效应或量子尺寸限制。

例如：GaAs-Al0.3Ga0.7As 超晶格材料势阱中产生尺寸效应。当层厚小于在费米能级边缘的电子平均自由程时，在量子阱内就会形成电子和空穴的分立能级。这种尺寸效应将改变该材料的光学吸收、受激发射以及隧穿等性能。

②界面效应：纳米晶体材料中含有大量的晶界，因而晶界上的原子占有相当高的比例。例如对于尺寸为5nm的晶粒，大约有50%的原子

处于晶粒最表面的一层平面（原子平面）和第二层平面；对于晶粒为

10nn,晶界宽为1.0nm材料，大约有25%原子位于晶界。由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，必将使纳米材料的自由能

增加，使纳米材料处于不稳定的状态，如晶粒容易长大，同时使材料的宏观性能如机械变形发生变化。界面效应能使异质原子在晶界的偏析大幅度提咼。例如室温下Bi在Cu中的溶解度小于10-4,而在8nm Cu多晶中溶解度为4%,其中部分或大部分Bi 原子位于晶界。

选择和控制某些原子在晶界的偏析, 可有效的阻止纳米晶的长大。例如，少量的Cu的加入可有效地阻止Fe-Si-B非晶晶化时纳米相的长尢在Fe-Cu合金中Cu偏析到晶界能抑制纳米相的长大等。

第四次作业

1 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。

2 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。