纳米材料与器件 考试重点

一．符号翻译（5×2分=10分）1．PVD：Physical Vapor Deposition，物理气相沉积。

2．PLD：Pulsed Laser Deposition，脉冲激光沉积。

3．CVD：Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积。

4．Template synthesis：模板法合成。

5．CMC：临界胶团浓度。

6．SEM：Scanning Electronic Microscopy，扫描电子显微镜。

7．TEM：Transmission Electron Microscopy，透射电子显微镜。

8．AFM：Atomic Force Microscopy，原子力显微镜。

9．XRD：X-Ray Diffraction，X射线衍射法。

10．XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy，X射线光电子能谱法。

11．EDX：X射线能谱仪装置。

12．SAED：Selected Area Electron Diffraction，选区电子衍射。

13．CNT：Carbon Nanotube，碳纳米管。

14．EQE：External Quantum Efficiency，外量子效率。

15．IQE：Internal Quantum Efficiency，内量子效率。

16．AM：Air Mass，大气光学质量。

17．DSSC：Dye-Sensitized Solar Cells，染料敏化太阳能电池。

18．HOMO：Highest Occupied Molecular，最高已占轨道。

（价带）19．LUMO：Lowest Unoccupied Molecular，最低未占轨道。

（导带）20．QDSSC：量子点敏化太阳能电池。

二．名词解释（5×3分=15分）1．纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。

2．纳米结构：指尺寸在100纳米以下（1-100 nm）的微小结构。

3．纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术。

4．多晶体：由许多小晶粒组成的晶体，晶粒之间的排列没有规则。

（各向同性）单晶体：本身就是一个完整的大晶粒。

（各向异性）5．二次电子：在入射电子束作用下，被轰击出来并离开样品表面原子的核外电子。

6．特征X射线：原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的电磁波。

7．同素异形体：相同元素组成的不同形态的单质。

8．外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

9．内光电效应：光照射在半导体上，电子吸收光子能量脱离原子核的束缚成为自由电子，使该物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象。

10．扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

11．光谱响应（SR）：太阳能电池产生的电流大小与入射能量之比。

12．收集概率：光生载流子被p-n结收集并参与到电流流动的概率。

它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。

收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。

电池表面的生成率是最高的。

13．天顶角（z）：入射光线与地面法线间的夹角。

AM1.5标准太阳光谱：在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱。

此时太阳的天顶角为48.19°AM0—地球大气层外；AM1—赤道。

14．太阳能模拟器：用人造光源来模拟太阳光。

实现标准地面阳光条件，用于太阳能电池的测试。

可分为A、B、C三个等级。

三．填空（5×3×1分=15分）1．纳米材料根据形貌结构可分为：零维纳米材料（量子点）、一维纳米材料（线、带、管等）、二维纳米材料（石墨烯等）、三维纳米材料（多级纳米结构）。

2．纳米材料的“四大效应”：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应3．两种制备思路：“top-down”、“bottom-up”；两类制备方法：物理法、化学法。

4．“模板法”根据其模板自身的特点可分为“硬模板”法和“软模板”法。

硬模板有分子筛、多孔氧化铝膜（AAO）、聚苯乙烯微球、聚合物纤维和碳纳米管等。

软模板通常为两亲性分子形成的有序聚集体，包括：胶束、反向微乳液、液晶等。

5．纳米材料生长机理：成核→晶粒→晶体生长。

①定向附着生长（oriented attachment）：多个取向不一致的单晶纳米颗粒，通过粒子的旋转使晶格取向一致，后使这些小单晶生长成一个大单晶的过程。

②柯肯达尔效应（Kirkendall effect）：指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷这一现象。

③奥斯瓦尔多熟化（Ostwald ripening）：较大的晶体微粒进一步增大，而小的晶体微粒进一步变小，大粒子依靠摄取小粒子的质量进行生长。

6．扫描电镜由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统和电源系统组成。

电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。

7．背散射电子：被固体样品原子反射回来的那部分入射电子。

包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

8．富勒烯C2n，n=10、12、13、14……（没有11）所有富勒烯结构的五边形个数为12个，六边形个数为n-10。

9．根据碳六边形沿轴向的取向，可将碳纳米管分成：扶手椅形纳米管、锯齿形纳米管、手性纳米管三种。

10．出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出，如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。

出现七边形的地方碳纳米管向内凹进。

11．太阳能电池分为晶体硅电池（第一代）和薄膜电池（第二代），其中晶体硅电池又分为单晶硅电池和多晶硅电池，薄膜电池又分为非晶硅电池和化合物薄膜电池。

12．光电效应分为外光电效应和内光电效应。

内光电效应又分为光电导效应和光伏效应。

13．导带中的电子落入价带中空穴，电子-空穴对消失的现象称为复合。

复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。

14．载流子的复合机理有：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合。

15．敏化剂的种类：联吡啶金属络合物、纯有机染料、无机化合物。

16．DSSC的电解质按物理状态分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。

四．问答题（6×10分=60分）1．纳米材料的发展历程：第一阶段：探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能。

第二阶段：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料。

第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。

2．纳米材料的应用：①天然纳米材料。

海龟、鸽子等生物的导航②纳米磁性材料。

磁记录材料③纳米半导体材料。

大规模集成电路器件、光电器件④纳米传感器。

温度传感器、红外线检测仪、汽车尾气检测仪⑤纳米陶瓷材料。

高强度、高韧性、高延展性的陶瓷⑥纳米催化材料。

⑦医疗上的应用。

⑧家电。

多功能塑料⑨环境保护。

功能独特的纳米膜探测并消除污染⑩纺织工业。

⑪机械工业。

⑫能源器件。

锂离子电池和超级电容器⑬护肤品。

3．纳米技术未来的挑战：①纳米材料需要更强、更轻、更硬、更安全、可自我修复。

②纳米电子学、光电子学和磁学。

③高级保健、治疗和诊断。

④纳米工艺环境的改善。

⑤高效的能量转换和存储。

⑥微飞行器的空间探索和工业化。

⑦用生物纳米传感器进行生物威胁检测。

⑧经济、安全的运输。

⑨国家安全。

4．光刻技术及工艺步骤：衬底的准备→涂光刻胶→前烘→曝光→显影→硬烘→刻蚀或离子注入→去除光刻胶5．几种碳纳米材料的特点和应用①富勒烯溶解特性。

富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体。

富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂。

新型催化剂材料。

在富勒烯分子的中心空隙加入一些具有催化性能的金属原子，制成一类新的催化剂。

超导。

金属掺杂的C60有超导性。

非线性光学器件。

富勒烯的非线性光学性能优越，C60薄膜具有很高的光学效率。

有机太阳能电池应用。

②碳纳米管碳纳米管硬度高、质量小、柔韧性好，是理想的高强度纤维材料。

用碳纳米管生产体积更小的晶体管。

利用碳纳米管可制成安全清洁的能源，还可作为催化剂载体和膜材料。

利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳、纳米尺度的导线。

碳纳米管作为锂离子电池的电极材料。

③石墨烯世上最薄、最坚硬的纳米材料，几乎完全透明，导热系数高，电阻率低，电子迁移速度快。

适合用来制造透明保护层、新型电子元件或晶体管、太阳能电池等。

6．太阳能的优点和缺点优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。

缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高。

7．太阳能电池的发展意义传统能源会导致环境污染、温室效应和能源枯竭问题。

再叙述太阳能电池的优点。

8．光电效应与光伏效应的区别（1）光电效应是光伏效应的前提，光伏效应是光电效应作用于半导体而产生电动势。

（2）产生光伏效应的材料只能是半导体，而产生光电发射效应的材料可以是金属。

（3）光伏效应是少数载流子过程。

（4）载流子在光伏效应中不能离开材料，而在光电发射效应中可以离开材料。

（5）光伏效应对于光谱有一定的吸收谱并且与光强有关；光电发射效应存在截止波长，电子逸出速度与光强无光，只与频率有关。

9．光伏效应的原理太阳能电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。

光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。

光生电子-空穴在N区产生后，光生空穴向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便在内建电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子则被留在N区。

P区中的光生电子也向P-N结边界扩散，同样通过漂移运动进入N区，而光生空穴被留在P区。

因此，在P-N结两侧有电荷的积累，使P区带正电，N区带负电，并产生了光生电动势。

10．例题：某太阳能电池器件，面积是2cm2，在AM1.5，120mW/cm2，25℃光照条件下，电池的J SC=25 mA/cm2，V OC=0.5 V，FF=0.7，求电池的光电转化效率η。

如果太阳光的入射功率变为100mW/cm2，其他参数不变，求电池的光电转化效率η。

各参数及其含义①光子通量Φ：单位时间内通过单位面积的光子数量。

光吸收系数α：光子在半导体中传播时，在距表面x处，单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量Φ（x）。