四川大学纳米材料与纳米技术期末提纲及问题

第一章纳米技术的基本概念1 什么是纳米？什么是纳米技术？纳米=10^-9米，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。

纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（0.1nm∽100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。

纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术：是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而获得新结构和新材料的技术。

2 按照材料维度分，纳米材料可以分成几维？三维空间中,至少有一维处于纳米尺度（介于1～100 nm之间）范围内的材料，都可归属于纳米材料范畴。

按维数的不同，纳米材料可分类为：零维—一维—(直线运动)二维—(平面运动)三维—纳米晶体(纳米分子筛)度中的三维中自由活动3 纳米技术涉及的研究领域有哪些？纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。

4 纳米材料涉及哪些基本效应？产生的原因是什么？小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。

量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。

界面效应：纳米材料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，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。

表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。

四个特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大5 为什么金属纳米粉呈现黑色？这是小尺寸效应的表现，当金属粒径小到光波波长以下，金属的反射率极低，故呈现黑色。

6 STM、AFM工作原理是什么？STM扫描隧道显微镜就是根据量子力学中的隧道效应与原理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

AFM原子力显微镜中，样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以在X、Y和Z方向上独立运动。

SPM探头中的激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在光斑位置检测器上。

光斑位置检测器上下部分的光强差产生了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑位置的变化量。

7 纳米粉体为什么容易出现团聚现象？书P15第五段8 请举例说明纳米技术的“自上而下”和“自下而上”方法。

“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“针尖书写”是“自上而下”的主要技术之一。

“自下而上”最典型的例子是3维打印、基因药物。

纳米科技研究的技术路线“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。

9 纳米技术如何提高传统产业？传统产业渗透，调整产品结构，推进传统产业业态升级。

纳米生物医用材料方面：研发纳米传感器、纳米技术辅助重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件。

电子器件方面：利用纳米技术研发更加微小的纳米电子器件，IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘，其数据存储容量超过现在硬盘存储容量的100倍。

化学工程技术方面：纳米粒子用于化学催化，不仅表现为高活性，而且还提高了化学反应的选择性，纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多、金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。

环境与能源材料：环境友好与资源节约型纳米材料与技术，新型能源纳米材料与器件。

国防科技：纳米探测系统、纳米材料提高武器打击、纳米材料提高防护能、纳米机械系统制造的小型机器人、雷达隐身技术。

10 我国纳米技术的应用情况。

政府重视：我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告、列入十五规划、列入“863”、“973”计划。

科研投入：我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势。

但因基数太小，根本不能和美、日、欧盟等技术大国相比。

主要研发力量我国纳米技术研发力量表面相对集中，实际上仍很分散，难以形成规模优势。

研发力量主要集中在高等院校和科研院所。

企业介入纳米技术的研发领域占5%，力量薄弱且层次不高。

80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。

但在较低层次的纳米材料领域，就集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术——纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。

科研成果尽管我国对纳米技术研究投入严重不足，但在过去20年中我国科学家还是取得了非凡的成绩。

在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文21400篇，其中多篇发表在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上。

技术人才国内有350多所高等学校、科研院所、240万从事纳米技术相关科研人员。

产业化状况据调查，全国共有纳米企业3900多家直接从事纳米技术的公司和研发单位，其中以“纳米”注册的企业共870多家。

存在问题：项目重复投资、尚未形成跨学科、跨领域的联合研发体制、没有纳米技术权威检测机构、缺乏专业人才、原创性成果少。

11 纳米技术与材料物理、材料化学的关系.半期考试内容。

第二章纳米技术理论基础--近代物理1 什么是绝对黑体？能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。

2 普朗克常数值和单位6.6260755x10^-34J·s3 光照射金属产生电子的条件入射光频率大于某最小值即光电效应截止频率v。

时，光电子才能逸出。

4 什么是康普顿效应X射线物质衍射过程中，在散射光中除了有与入射光波长λ0 相同的射线之外，同时还出现一种波长λ大于λ0 的射线。

这种改变波长的散射称为康普顿效应。

5 什么是德布罗意波，如何表达一个能量为E,动量为P 的实物粒子同时具有波动性, 且满足E=hν，P=h/λ，与实物粒子相联系的波称为物质波或者德布罗意波。

6、如何用能带理论解释金属、半导体、绝缘体从能带理论来说满带是不会产生电流的（由于电子波函数在k空间中是空间反演对称的，在-k处的电子产生的电流和在k处产生电流大小相等而方向相反），金属的导带是半满带，就会产生电流了。

对于绝缘体它的价带是满带，而导带是空带，由于禁带宽度太大了，以至于价带电子不能够激发到导带上。

绝缘体不能导电。

半导体，他在绝对零度时，价带是满带，而导带是空带，不能导电，当外界条件（光照，热激发等）改变时，半导体的禁带宽度较小，可以把价带顶的电子激发到导带底，于是在导带底有了电子，价带顶有了空穴，就可以导电了。

第三章纳米科学的基本理论1、小尺寸效应：纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象-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和纳米半导体微粒能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。

宏观量子隧道效应：微观的量子隧道效应可以在宏观物理量中例如微粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等表现出来，称为宏观量子隧道效应。

介电限域效应：介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场的增强。

当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限域。

2、久保理论久保把超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，而准粒子之间交互作用可忽略不计。

（1）当kBT<<δ(相邻二能级间平均能级间隔)时，这种体系靠近费米面的电子能级分布服从泊松(Poisson)分布：（2）超微粒子电中性假设对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的，KB为玻尔兹曼常数。

库伦阻塞：体系尺度进到纳米级（金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米），体系电荷“量子化”，即充电放电过程是不连续的，前一个电子对后一个电子的库仑排斥能EC（库仑堵塞能）极大，导致一个一个单电子的传输，电子不能集体传输，这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。

第四章纳米材料的特性1 、纳米材料的熔点和烧结温度比块体材料底，此现象涉及纳米材料的什么效应？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。

涉及到了纳米材料的表面效应。

2、纳米材料熔点下降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3、纳米材料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。

涉及到尺寸分布效应和界面效应。

4、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；涉及到量子尺寸效应和表面效应。

吸收光谱的红移现象，音响因素：(1) 电子限域在小体积中运动；(2) 粒径减小，颗粒内部内应力（p=2/r，r导致能带结构变化，电子波函数重叠加大；(3) 存在附加能级，如缺陷能级，使电子跃迁能级间距减小；(4) 外加压力使能隙减小；(5) 空位、杂质的存在使平均原子间距R 增大，导致能级间距变小。

5矫顽力：通常铁磁材料在反复磁化过程中会出现磁滞现象。

当外加磁场强度H下降至零时，B值并不回到零而为Ｂr，Ｂr称为剩余磁感应强度，简称剩磁。

为使B值回到零，必须加一个反向磁场强度Ｈc，Ｈc称为矫顽磁场强度，俗称矫顽力。

而纳米微粒尺寸大于超顺磁临界尺寸时通常表现较高的矫顽力Hc。

居里点任何铁磁性物质都存在这样一个临界温度，高过这个温度，其铁磁性就会消失，变为顺磁性，称为居里温度。

原因是在高温下由于剧烈的热运动，使磁畴瓦解。