《纳米科学与微纳制造》复习材料

《纳米科学与微纳制造》复习材料

1、纳米材料有哪些危害性？

答：纳米技术对生物的危害性：

1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；

2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；

3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。

2、什么是纳米材料、纳米结构？

答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1 nm～100nm范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。

纳米材料有两层含义：

其一，至少在某一维方向，尺度小于 100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于 100nm，如纳米晶合金中的晶粒;

其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。

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1-100nm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、分子进行操纵和加工的技术。

4、什么是纳米技术的科学意义？

答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。

5、纳米材料有哪 4种维度？举例说明

答：零维：团簇、量子点、纳米粒子

一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒

二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格

三维：纳米块体

6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM

答：STM (scanning tunneling microscope) 扫描隧道显微镜

AFM(Atomic Force Microscope) 原子力显微镜

SEM(scanning electron microscope) 扫描电子显微镜

TEM(Transmission Electron Microscope) 透射电子显微镜

XRF(X Ray Fluorescence) X射线荧光光谱分析

7、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理

扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，控制系统使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离≤10?时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过，电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化 1?，电流就变化一个数量级左右。移动探针或样

品，使探针在样品上扫描。

原子力显微镜：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定另一端的针尖与样品表面轻轻接触，当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10‐8‐10‐6 N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系（遵循胡克定律）

8、纳米科技的分类

纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：

①纳米材料,是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础。

②纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。

③纳米尺度的检测和表征。

9、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

小尺寸效应：

当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。

表面效应：

纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。因而极易与其它原子结合而趋于稳定。

量子尺寸效应：

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应。

宏观量子隧道效应：

当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。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。

10、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因

熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加。

熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

烧结温度降低原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结过程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，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低

比热容增加：纳米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大（比常规块体），因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料高很多需要更多的能量来给表面原子的振动或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢。

11、激子的定义是什么？

答：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激