纳米材料与技术期末考试知识点总结及参考答案

1.纳米科技的含义、意义。

含义：纳米科技的核心思想是构造纳米尺度的材料或结构，发掘其不同凡响的特性并对此予以研究，以致最终能很好地被人们所应用。

将这种思想和相关方引入到各个领域，便形成形形色色的各类纳米科技研发领域，主要包括：纳米体系物理学；纳米体系化学；纳米材料学；纳米材料学；纳米生物学；纳米机械学；纳米加工制造学；纳米表征测量学；纳米医学等。

意义：纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。

它是在0.10至100纳米(即十亿分之一米)尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。

当空间尺度足够小的时候，以分子或者更小的单位排列的时候，就会发现很多比现实世界更为奇异的事情。

这是因为运用纳米技术之后，分子或者原子等粒子的结构会发生很大的改变，当然也就会产生更多的原来不具备的特性。

比如说运用纳米技术之后，衣服脏了只需要用清水洗一下就干净了，比如玻璃杯摔不坏，当然这是普通的日常生活的应用。

对于高端的技术来讲，纳米技术更为重要。

纳米技术在超导的应用方面，集成电路的发展方面都具有重要的地位。

例如后者，大家都知道CPU是一种超大规模的集成电路，现在很普遍的P4技术是运用0.09微米的工艺来书写的；当然CPU的集成度还需要提高，运算速度还需要提高等等，这就要求在电路已经达到极限的情况下更注意电路的宽度的提高了。

未来CPU的发展还需要依靠纳米技术来改进和提高了。

纳米技术是一种新型技术，它是建立在微观的技术基础之上的，所以需要投入的资金和技术都是非常大的，但是一旦达到工业生产之后它所创造的产值往往是异常丰富的。

2.纳米材料的分类、定义、制备路径。

分类：
定义：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

制备路径：
（1）从上到下把大的尺度减小到纳米尺寸：破碎球磨蚀刻光刻煅烧喷雾法
（2）从下到上把分子尺寸累积成纳米尺寸：蒸发凝结气相沉积共沉淀法
3.几个效应。

（1）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)由准连续变为离散能级，同时能隙变宽的现象，称为量子尺寸效应。

（2）小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

（3）表面效应：微粒的表面积增大和所包含的表面原子数增多现象，称为表面效应。

（4）宏观量子隧道效应：电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效
应，称之为宏观量子隧道效应。

（5）量子限域效应：当半导体纳米粒子的粒径r<aB时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围。

因此空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高得多，颗粒尺寸越小，形成激子的概率越大，激子浓度就越高。

这种效应称为量子限域。

（6）库仑阻塞能：库仑阻塞与单电子隧穿效应：当颗粒的尺寸很小时（金属为几个nm，半导体为几十nm），其充放电过程是不连续的。

充入一个电子所需的能量为EC=e2/2C,（C 为体系的电容）。

体系越小，C,EC。

该能量称为库仑阻塞能。

（7）库仑堵塞效应：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。

（8）激子：在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子通过库仑作用束缚的电子-空穴对，电子和空穴复合时便发光，以光子的形式释放能量。

4.纳米材料（颗粒、纳米晶构成的块体）。

电阻温度系数变化行为及其原因。

块体：纳米固体材料，又称纳米结构材料，是由纳米微粒或纳米晶粒凝聚而成的三维块体。

按照结构状态，纳米固体材料可分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶材料；按照相构成，纳米固体材料可分为纳米单相材料（由单相微粒构成的固体）和纳米复相材料（由两种或两种以上的相微粒构成的固体）。

电阻与温度：
（1）纳米晶材料存在大量的晶界，使得界面对电子散射非常强，导致电阻升高。

晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强，电阻增大-----归因于小尺寸效应。

（2）当大于电子平均自由程时，晶内散射贡献占优势。

电阻温度系数接近常规粗晶材料。

当小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。

例如，电阻温度系数变负值-----归因于小尺寸效应
5.纳米颗粒的发光及光吸收性能及其原因。

发光：
（1）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。

（2）荧光：仅在激发过程中发射的光。

（3）磷光：在激发停止后还继续发射一定时间的光。

光吸收:
光在固体中传播时，其强度一般要发生衰减，出现光的吸收现象。

a.纳米颗粒光吸收增强原因之量子效应:纳米粒子的电子能级分裂，且分裂能级刚好在微波的能量范围(10～10-4eV)内，这为纳米材料的吸收创造了新的吸收通道；在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使电子能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收。

b.纳米颗粒光吸收增强原因之表面等离子激元:当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离子激元现象。

c.纳米颗粒光吸收增强原因之表面效应:纳米颗粒表面原子比例高，悬挂的化学键多，大量悬挂键的存在使截面极化，高的比表面积造成多重散射，增强吸收。

6.纳米尺寸的评价方法（STM、AFM的工作原理及操作模式）。

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.
操作模式:恒流模式、恒高模式。

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.
操作模式:接触模式、非接触模式、轻敲模式、侧向力模式。

根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及不同的研究需要，选择合适的操作模式。

7.分子自组装，举例说明。

8.纳米颗粒的顺磁性及其原因。

原因：在小尺寸小，当各向异性能减小到热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向无规律的变化，导致超顺磁性的出现.
9.纳米材料溶液中双电子层结构、Zeta电位的定义及作用。

微粒的双电层结构:在微粒分散体系的溶液中，微粒表面的离子与靠近表面的反离子构成了微粒的吸附层；同时由于扩散作用，反离子在微粒周围呈现距微粒表面越远则浓度越稀的梯度分布形成微粒的扩散层，吸附层与扩散层所带电荷相反。

微粒的吸附层与相邻的扩散层共同构成微粒的双电层结构。

Zeta电位的定义:Zeta电位，又叫电动电位或电动电势，是指剪切面(Shear Plane)的电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。

由于分散粒子表面带有电荷而吸引周围的反号离子，这些反号离子在两相界面呈扩散状态分布而形成扩散双电层。

根据Stern双电层理论可将双电层分为两部分，即Stern层和扩散层。

Stern层定义为吸附在电极表面的一层离子电荷中心组成的一个平面层，此平面层相对远离界面的流体中的某点的电位称为stern电位。

Stationary layer稳定层与扩散层内dispersion medium分散介质发生相对移动时的界面是滑动面,该处对远离界面的流体中的某点的电位称为Zeta电位.
Zeta电位的作用:
(1)Zeta电位的重要意义在于它的数值与胶态分散的稳定性相关。

(2)Zeta电位的主要用途之一就是研究胶体与电解质的相互作用。

(3)Zeta电位的测量使我们能够详细了解分散机理，它对静电分散控制至关重要。

对于酿造、陶瓷、制药、药品、矿物处理和水处理等各个行业，Zeta电位是极其重要的参数.
10.储能材料中的纳米效应分析。

储能材料：有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或Pd等储能材料，增加这些储能材料的易处理性和表面积，达到传递储能的效果。