纳米30题

1.简述纳米材料的定义、含义与分类。

任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称为纳米材料。

纳米材料可有晶体、准晶、非晶组成。纳米材料的基本单元或组成单元可由原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜组成，它既可以包括金属材料，也可以包括无机非金属材料和高分子材料。

纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米颗粒等为零维纳米材料，纳米线为一维纳米材料，纳米薄膜为二维纳米材料，纳米块体为三维纳米材料。

2.试述纳米材料的结构特征

纳米材料的结构不同于常规物质，属于物质由宏观世界向微观世界的过渡区域，许多传统的物理化学理论在这种非宏观与非微观的领域已不再使用。

由于粒子的表面能和表面张力随粒径的减小而增加，纳米微粒的比表面积大以及由于表面原子的最近邻数低于体内而导致非键电子对的排斥力降低，必然引起颗粒内部特别是表面层晶格的畸变，原子在外力作用下，很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将与传统的大颗粒材料显著不同。

3、量子隧道效应

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。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

库仑堵塞与量子隧穿：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），体系是电荷“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。通常把小体系中这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。

4、能及展宽效应

纳米结构材料的能级展宽效应

（随着微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级有准连续变为离散能级的现象，以及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，均称为量子尺寸效应。）

对于块状金属，其费米能级位于导带的中心，导带的一半被占据。金属超细微粒费米面附近的电子能级变为分立的能级，出现能隙。（书上有图）

在温度T下电子的平均动能约为k b T数量级，根据久保理论，当相邻电子能级间隙大于电子的k b时，热运动不能使电子跃过能隙，电子的状态受到限制，表现出量子尺寸效应。

对半导体材料，纳米半导体微粒的导带与价带间的带隙变宽且出现能级分离的量子效应。

5、纳米结构材料的物理特性（电磁光热）

一、电学性能：纳米材料中有大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力越强，晶面的这种高能垒是使电阻升高的主要原因。纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。

二、光学性能：纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控

制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，有时当粒径减小至纳米级时，会观察到光吸收带，相对粗晶材料的红移现象这两种作用共同作用，结果视孰强而定。

三、热学性能：纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能

四、磁学性能：铁磁性纳米颗粒当尺寸减小到一定临界值时，进入超顺磁状态。在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向做无规则变化，结果导致超顺磁性出现。不同类的磁性纳米颗粒呈现超顺磁性的临界尺寸是不同的。

8.纳米金属熔点为什么比通常宏观材料熔点低？

答：由于颗粒小纳米微粒的表面能高，比表面原子多，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融化增加的所需内能小的多，这就使得纳米微粒的熔点急剧下降

9.试述纳米铁磁材料的磁性转变。

答：在磁学性能中，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，达到以最大值后，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，当晶粒尺寸大于单畴的尺寸时，矫顽力Hc与平均晶粒尺寸D的关系为Hc=C/D。

可见纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力亦随晶粒尺寸D的减小而增大，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，此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为Hc=C’D6（6次方）C’为与材料有关的常数

当D>Dc时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程。当D

10.试述纳米半导体的量子限域效应

半导体纳米微粒的粒径r＜αB(αB为激子玻尔半径: B = h2 /e2(1/me- + 1/mh+)时，电子

的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引起电子和空穴波函数的重叠，容易产生激子吸收带。因此空穴约束电子形成激子的概率比常规材料高

得多，导致纳米材料激子的浓度较高。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效应。

由布拉斯公式E(r) = Eg(r = ∞) + h2π2/2μr2 - 1.786e2/εr - 0.248E Ry

第二项为量子限域能（蓝移），激子代的吸收系数随粒径下降而增加，即出现激子增强吸收并蓝移。

11、制备量子结构的主要物理方法

1、金属蒸发法：在真空或惰性气体中通过电阻加热，高频感应，等离子激光，电子束，电磁感应等方法是原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态，然后再气体介质中冷凝形成高纯纳米材料

2、溅射法：在惰性气氛或活性气氛下在阴极板和阴极蒸发材料间加上几百伏的直流电压，使之产生辉光放电，放电中的离子撞击在阴极的蒸发材料靶上，靶材的原子全由表面蒸发出来，蒸发原子被惰性气体冷却凝结或与活性气体反应而形成超细粉。

3、模板法：模板合成首先要制备模板，模板其结构的不同可分为软模板和硬模板两类，软模板主要应用于介孔或多孔材料的自组装过程，合成物的结构与模板的有序孔能构成胶体晶结构相同；硬模板则通常指多孔的薄膜或厚膜。

4、气相沉积法：主要过程：固体材料的蒸发和蒸发气体的冷凝或沉积。

12、讨论晶格匹配度和表面能对在衬底上沉积的晶体的形态的影响

纳米材料的气相合成与制备方法，是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法，衬底表面反应物的生长有三种模式，这取决于生成物与衬底的表面能和晶格的匹配度，当衬底的表面能γs大于薄膜的表面能γf，且晶格匹配度小于0.2%时，衬底表面的反应生成物以Frank-Van der Merve的2维平面方式生长成膜，随着晶格匹配度的增大，2维平面生长方式变得不稳定，转化为Stranski-Krastanor模式，即先生长出几个原子平面，再转为岛状生长，随着晶格匹配度的增大，即使衬底的表面能大于膜的表面能，能维持三维岛状生长。

13.在晶体衬底气相沉积生长材料的三种方式(自己画图)

衬底表面反应物的生长有三种模式，这取决于生成物与衬底的表面能和晶格的错配度，当衬底的表面能γs大于薄膜的表面能γf，且晶格错配度小于0.2％时，沉底表面的反应物以Frank-van der Morve的2维平面方式生长成膜。随着晶格错配度的增大，2维平面生长方式变得不稳定，转化为Stranski-Krastanov模式，即先生长出几个原子平面，再转为岛状生长。如果衬底的表面能小于可能成膜的表面能，则反应生成物直接以V olmer-Weber模式进行岛状生长。

14.试述水热法和溶剂合成纳米晶体的原理

水热法：在密闭的压力容器中，以水为溶剂，温度为100-400℃，压力大于0.1兆帕到数百兆帕的条件下，使前驱体反映和结晶，即提供一个常压无法达到的物理化学条件，使其溶解结晶。在水热条件下，纳米晶能够自由生长，晶体的结晶习性可以得到充分显示。

溶剂热法：采用类似水热法的原理，在高温高压溶剂条件下，提供一个常压无法达到的特殊物理化学环境，使前驱体在系统环境中充分溶解，达到一定饱和度，变成院子或分子生长基元，进行成核，结晶成纳米晶。

15.溶剂热合成纳米晶，晶体形貌受哪些因素影响。

影响因素：内因：摩尔比、原料起始用量

外因：溶剂酸碱度、反应时间、表面活性剂、添加剂

16..简述纳米晶自组装的有序化行为

答：自组装就是在一定条件下，分子在溶液中通过空间自组织自发地产生一个结构确定、具有一定功能的微观有序结构的过程。纳米材料的自组装，是指通过弱的和较小方向性的非共