纳米材料与技术复习思考题

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一、填空：（每空 1 分，总共 30分）

1. 纳米尺度是指 1~100nm。

2. 纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学。

3. 纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。

4. 当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称

为低维材料。

5. 一维纳米材料中电子在 2 个方向受到约束，仅能在 1 个方向自由运动，即

电子在 2 个方向的能量已量子化。一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广

泛关注的，又称为量子线。

6. 1997 年以前关于 Au、Cu、Pd 纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因

是材料的密度偏低。

7. 纳米材料热力学上的不稳定性表现在纳米晶粒容易长大和相变两个方

面。

8. 纳米材料具有高比例的内界面，包括晶界、相界、畴界等。

9. 根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：水溶液溶胶-凝胶法和醇盐溶胶-凝胶法

10. 隧穿过程发生的条件为 |Q| > e/2 。

11. 磁性液体由三部分组成：磁性颗粒、表面活性剂和基液。

12. 随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向

短波方向移动，即蓝移。

13. 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。仅在激发过程中发射的光为荧光。

在激发停止后还继续发射一定时间的光为磷光。

14. 根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：扶手椅型、锯齿型、螺旋型

15. STM 成像的两种模式是恒电流模式和恒高度模式。

二、简答题：（每题 5分，总共 45分）

1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些

答：主要有两种技术：Top down（由上而下）的方法和 Bottom up（由下而上）的方法（2 分）； Top down 由上而下的方法是一种采用物理和化学方法对宏观物质的超细化的纳米科技的研究方法。Bottom up 由下而上的方法，以原子、分子、团簇等为基元组装具有特定功能的器件、材料。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。

2、纳米材料的分类

答：纳米材料通常按照维度进行分类。

超细粒子，团簇→ 0 维材料

纳米线或管→ 1 维纳米材料

纳米膜→ 2 维纳米材料

纳米块体→ 3 维纳米材料

3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别

答：1）尺度上：分别为 10-9~10-7m, 10-7~10-5m, <10-9m

2）物理与化学性质上：

（1）微细颗粒不具有量子效应，纳米颗粒有量子效应；

（2）团簇有量子效应和幻术效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。

4、简述 PVD 制粉原理。

答：在蒸发过程中，蒸气中原材料的原子由于不断地与惰性气体原子相碰撞损失能量而迅速冷却，这将在蒸气中造成很高的局域过饱和，促进蒸气中原材料的原子均匀成核，形成原子团，原子团长大形成纳米粒子，最终在冷阱或容器的表面冷却、凝聚，收集冷阱或容器表面的蒸发沉积层就可获得纳米粉体。通过调节蒸发的温度和惰性气体的压力等参数可控制纳米粉的粒径。

5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点

答：

1）对于粗晶金属，在杂质含量一定的条件下，由于晶界的体积分数很小，晶界对电子的散射是相对稳定的。因此，普通粗晶和微米晶金属的电导可以认为与晶粒的大小无关。

2）对于纳米晶材料，由于含有大量的晶界，且晶界的体积分数随晶粒尺寸的减小而大幅度上升，纳米材料的界面效应的影响不能忽略。纳米材料的电导具有尺寸效应，特别是晶粒小于某一临界尺寸时，量子限制将使电导量子化。纳米材料的电导将显示出许多不同于普通粗晶材料电导的性能。例如：纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小，电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。

6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象。

答：随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱向短波方向移动，即蓝移。由于纳米颗粒尺度小，而具有大的表面张力，造成晶格畸变，晶格常数变小，键长缩短，导致纳米微粒的键本征振动频率增大，使光吸收带移向了高波数。界面效应引起纳米材料的谱线蓝移

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么

答：量子尺寸效应使纳米光学材料对某种波长的光吸收带有蓝移现象，纳米粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象，纳米微粒紫外吸收材料就是利用这两个特性。对紫外吸收好的材料有三种：TiO2 纳米粒子的树脂膜、Fe2O3 纳米微粒的聚合物膜和纳米Al2O3 粉体。大气中的紫外线在 300~400nm 波段，在防晒油、化妆品中加入纳米微粒，对这个波段的紫外光线进行强吸收，可减少进入人体的紫外线，起到防晒作用。

8、解释纳米材料熔点降低现象。

答：晶体的自由表面和内界面（如晶界、相界等）处原子的排布与晶体内部的完整晶格有很大差异，且界面原子具有较高的自由能。因此，熔化通常源于具有较高能量的晶体表面或界面。晶粒尺寸减小，使各种界面增多、表面积增大，熔化的非均匀形性位置增多，从而导致熔化在较低温度下开始，即熔点降低。

9、AFM 针尖状况对图像有何影响？画简图说明。

1) 针尖不够尖

2) 针尖的长径比不够大

3) 针尖被污染

1. 纳米科学技术

(Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，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、什么是纳米材料、纳米结构？

纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系

3、什么是纳米科技？

答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工