纳米知识点与答案

第一章

1、纳米科学技术概念

纳米科学技术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、纳米材料的定义

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100 nm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。“功能”概念，即“量子尺寸效应”。

3、纳米材料五个类（维度）

0维材料，1维材料，2维材料，体相纳米材料，纳米孔材料

4、0、1、2维材料定义、例子

0维材料—尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。

富勒烯、胶体微粒、半导体量子点

1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。

纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝

2维材料—厚度为1 —100 nm的薄膜。

薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜

5、纳米材料与传统材料的主要差别

尺寸：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。

性能：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。

比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。

6、金属纳米粒子随粒径的减小，能级间隔增大

7、与块体材料相比，半导体纳米团簇的带隙展宽，展宽量与颗粒尺寸成反比

8、纳米材料的四大基本效应

尺寸效应，介电限域效应，表（界）面效应，量子效应

9、什么是量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级（LUMO），能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。

10、什么是小尺寸效应

当超细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；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。

11、什么是表(界)面效应

纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的化学活性，催化活性，吸附活性。表面效应是指纳米粒子表(界)面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。

12、什么是宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。

13、什么是库仑堵塞效应

当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米)，体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大。我们把这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。

14、纳米微粒熔点降低的原因

与常规粉体材料相比，由于纳米微粒的颗粒小，其表面能高、比表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒的熔点急剧下降。

15、烧结温度比常规粉体显著降低的原因

所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的，即烧结温度降低。

16、什么是宽频带强吸收

大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。

17、纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因

1) 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。

2) 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。

18、什么是纳米材料吸收光谱的蓝移

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。

19、纳米材料吸收光谱蓝移的原因

1) 量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽，从而导致光吸收带移向短波方向。Ball等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级(HOMO)与未被电子占据的分子轨道能级(LUMO)之间的宽度(能隙)随颗粒直径的减小而增大，从而导致蓝移现象。这种解释对半导体和绝缘体均适用。

2) 表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物的研究表明，第一近邻和第二近邻的距离变短，键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大，结果使红外吸收带移向高波数。

20、什么是纳米材料吸收光谱的红移现象