纳米材料与纳米结构复习内容-答案

纳米材料与纳米结构复习题

1．简单论述纳米材料的定义与分类。

答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。

现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。

如果按维数，纳米材料可分为三大类：

零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。

一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。

二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。

因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。

2．通过Raman光谱中如何鉴别单壁和多壁碳纳米管？如何计算单壁碳纳米管的直径？

答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。

100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。

单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w

d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1

3．论述碳纳米管的生长机理。

答：

采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe ,Co, Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体，随后碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。

各种生长模型：1、五元环－七元环缺陷沉积生长 2、层－层相互作用(lip-lip interaction)生长3、层流生长(step flow)4、顶端生长(tip growth)5、根部生长(base growth)6、喷塑模式生长(extrusion mode) 7、范守善院士：13C 同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性；“帽”式生长机理：不是生长一内单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管。

4．论述气相和溶液法生长纳米线的基本原理。

答：

5．解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。

答：红外吸收带的宽化原因：

纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉对红外有一个宽频带强吸收谱，这是由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下，它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布。这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。

蓝移原因：

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。

表面效应：由于纳米微粒尺寸小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近邻和第二近邻的距离变短。键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。（化学键的振动）

量子尺寸效应：由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。Ball 等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度（能隙）随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和绝缘体都适应。（电子跃迁）

6． 论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。

答：光催化的基本原理：

当半导体纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴时，电子具有还原性，空穴具有氧化性。空穴与半导体纳米粒子表面OH ―反应生成氧化性很高的·OH 自由基，这种活泼的·OH 自由基可把许多难降解的有机物氧化为CO 2和H 2O 等无机物。

提高光催化活性的途径：半导体的光催化活性主要取决于:导带与价带的氧化―还原电位。价带的氧化―还原电位越正，导带的氧化―还原电位越负，则光生电子和空穴的还原及氧化能力越强，光催化的效率就越高。

（1）减小半导体光催化剂的颗粒尺寸，可以提高其催化效率。（a.当半导体粒子d ＜某一临界值，量子尺寸效应变的显著,这时导带与价带变成分离能级，能隙变宽，价带电位变的更正，导带电位变的更负，这就增加了光生空穴和电子的氧化还原能力。b.光生载流子可通过简单的扩散，从粒子内部迁移到粒子的表面，而与电子给体或受体发生氧化还原反应，电子从内部扩散到表面的时间越小，光电电荷分离效果就越高，电子和空穴的复合概率就越小，从而导致光催化活性的提高。c.纳米半导体的尺寸越小，处于表面的原子越多，比表面积越大，大大增强了半导体催化吸附的能力从而提高了光催化降解有机物的能力。）

（2）通过对纳米半导体材料进行敏化，搀杂，表面修饰以及表面沉淀金属或金属氧化物等方法，显著改善光吸收及光催化性能

7． 什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？

答：库仑堵塞效应：由于库仑堵塞能的存在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传输，这种现象叫做库仑堵塞效应。

库仑堵塞是在极低温度下观察到的.

观察到的条件是:（e 2/2C ）> k B T

有人曾统计如果量子点的尺寸为nm ，可在室温下观察到上述效应。量子点是十几nm 。上述效应必须在液氮温度下。

8． 写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 答：Ry r g r E r e r E E 248.0786.1222

22)()(--+=∞=εμπ 式中：E （r ）: 纳米微粒的吸收带隙， E g(r=∞) 为体相的带隙， r 为粒子半径μ=[m e -1+m h -1] -1 为粒子的折合质量，

其中m e 和 m h 分别为电子和空穴的有效质量

第二项为量子限域能（蓝移），第三项表明介电限域效应,第四项为有效里德伯能 2

24

2h e E Ry πμ= 由上式可以看出，随着粒子半径的减少，量子限域效应为主，其吸收光谱发生蓝移；介电限域效应导致介电常数ε增加引起吸收边蓝移，其吸收光谱发生红移。

9． 纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。

答：声子限域效应加强，使Raman 峰向低波方向移动，发生蓝移，表面包覆或镶嵌某物质时，Raman 要考虑正压力的影响，正压力增加，Raman 光谱向高波数方向移动，发生红移。

10. 论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。在纳米制备研究中最重要的是什么？

答：气相法：既严格控制了成核过程，又避免了因为扩散与扰动或者产物收集与后处理时导致的团聚。因此是控制粒径单分散的最佳方法之一。（1）低压气体中蒸发法（气体冷凝法）：此种制备方法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒（1—1000nm ）或纳米微粒。用气体冷凝法可通过调节惰性气体压力，蒸发物质的分压即蒸发温度或速度，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小。（2）活性氢-熔融金属反应法：含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2，Ar 等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米微粒。（3）溅射法：用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar 气（40-250Pa ）。两电极间施加的电压范围为0.3-1.5kV 。由于

两电极间的辉光放点使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。（4）流动液面上真空蒸度法：在高真空中蒸发的金属原子在流动的油面内形成超微粒子。（5）通电加热蒸发法：通过碳棒与金属相接触，通电加热使金属熔化，金属与高速碳素反应并蒸发形成碳化物超微粒子。（6）混合等离子法：采用RF等离子与DC等离子组合的混合方式来获得超微粒子。（7）激光诱导化学气象沉积（LICVD）：LICVD具有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结，粒度分布均匀等优点，并容易制备出几纳米至几十纳米的非晶态或晶态纳米微粒。利用大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内完成反应、成核、凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米颗粒。（8）爆炸丝法：适用于连续生产纳米金属、合金和金属氧化物纳米粉体。（9）化学气相凝聚法（CVC）和燃烧火焰-化学气相凝聚法：通过金属有机先驱物分子热解获得纳米陶瓷粉体。

湿化学法：在液体悬浮液中收集纳米粒子可以保证所得纳米粉体对团聚、结构、组成变化的稳定性。因为反应在溶液中已完成，不需要再加热烧结，所以防止纳米颗粒的团聚以及结构、组成的变化，表面有一层表面活性剂，起到保护作用。（1）沉淀法：指含一种或多种离子的可溶性盐溶液，加入沉淀剂（如OH－，C2O4一，CO3－等），或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类的前驱体沉淀物从溶液中析出，经固液分离，并将沉淀物洗涤以洗去其中的阴离子，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉料。沉淀法制备纳米颗粒主要分为共沉淀法、均相沉淀法、混合物共沉淀、金属醇盐水解法等多种。（2）喷雾法：将溶液通过各种物理手段雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。主要包括：喷雾干燥法、雾化水解法、雾化焙烧法。（3）水热法（高温水解法）：一般是在100～350℃温度下和高气压环境下使无机或有机化合物与水化合，通过对加速渗析反应和物理过程的控制，可以得到改进的无机物，再过滤、洗涤、干燥，从而得到高纯、超细的各类微颗粒。（4）溶剂挥发分解法：将金属盐的溶液雾化成微小液滴、并快速冻结成固体，然后加热使这种冻结的液滴中的水升华气化，从而形成了溶质的无机盐。经焙烧合成了超微粒粉体。（5）溶胶－凝胶法：以液体的化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐前驱物，前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物经聚集后，一般生成1nm左右的粒子并形成溶胶。通常要求反应物在液相下均匀混合，均匀反应，反应生成物是稳定的溶胶体系。（6）辐射化学合成法：金属盐溶液在γ射线辐照下逐级还原成金属纳米粒子。

在纳米制备研究中最重要的是：

11.什么是纳米结构，并举例说明他们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么？

答：纳米结构：是以纳米尺度的物质单元为基础。按一定规律构筑和营造一种新的体系。它包括一维、二维、三维体系。

分类: 关于纳米结构组装体系的划分至今没有一个成熟的看法。根据纳米结构体系构筑过程的驱动力是靠外因还是靠内因来划分，大致可分为两大类。1.人工纳米结构组装体系：按照人类的意志，利用物理和化学的方法人为的将纳米尺度的物质单元组装。排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。包括纳米有序阵列和介孔复合体系。2.纳米结构自组装体系和分子自组装体系：是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键、配位键和弱的离子键协同作用把原子、离子、分子或纳米结构单元连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。

纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件：（1）有足够数量非共价键或氢键存在（因为氢键和范德瓦耳斯键等非共价键很弱（0.1—5kcal /mol）只有足够量的弱键存在，才能通过协同作用构筑成稳定的纳米结构体系。(2) 是自组装体系能量较低，否则很难形成稳定的自组装体系。

12.简单讨论纳米颗粒的组装方法。

答：纳米团簇的超分子化学组装方法可分为两类：1）胶态晶体法：是利用胶体溶液的自组装特性使纳米团簇组装成胶态晶体，得到二维或三维的超晶格。2）模板法：是利用纳米团簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的组装，由于选定的组装模板与纳米颗粒之间的识别作用，而使得模板对组装过程具有指导作用，组装过程更完善。

13.论述一维纳米线的制备方法。

答：⑴纳米碳管模板法：C-tube的纳米空间为气相化学反应提供了特殊的环境，碳纳米管就像一个特殊的试管，一方面提供反应所需要的碳源，消耗自身，另一方面提供了反应的场所，同时，又限制了生成物的生长方向，该方法可用于其他纳米线的制备。⑵晶体的气-固（Vapor-solid,V-S)生长法：凹坑或蚀丘为纳米丝提供了成核位置, 并且它的尺寸限定MgO纳米丝的临界成核直径，从而使MgO生长成直径为纳米级的丝。⑶选择电沉积制备磁性金属纳米线；⑷激光烧蚀与晶体的气-液-固生长法相结合，生长出第IV族的半导体纳米线：该法中激光烧蚀的作用在于克服平衡状态下

团簇尺寸的限制，可形成比平衡状态下团簇最小尺寸还小的直径为纳米级的液相催化剂团簇，这种液相催化剂尺寸的大小限定了后期按V-L-S机理生长的线状物的直径。⑸金属有机化合物气相外延（MOVPE），（６）碳热还原－ＶＬＳ生长纳米线，（7）简单物理蒸发法制备纳米线，（８）金属表面上的原位生长法，(９)溶液-液相-固相( S-L-S）生长法制备III-Ⅴ半导体纳线。

14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。

答：一维纳米结构的组装：（1）模板法组装纳米结构：将流体组装技术与表面模板技术结合在一起成功地将一维纳米结构组装成平行阵列。（2）L-B技术表面压力组装纳米棒阵列：通过表面张力的递增，使原本无序排列的各向同性的纳米棒首先排列成二维向列性排布，继而排列成二维近晶性的有序结构，多层这种二维结构叠加在一起，最终得到三维排列的有序纳米棒的阵列，3D－向列。（3）电场驱动组装：采用电场驱动组装的方法将纳米线的组装与其半导体性质的测量联系起来。（4）催化剂的图案化；（5）其他方法：eg加热ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳衬底或Si衬底上生长分级纳米结构；以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多晶Al2O3衬底上分别得到了ZnO螺旋桨状纳米结构。

2种纳米器件的结构： ZnO纳米线直流发电机；

纳米管收音机

15.简单论述纳米材料的磁学性能。

答：纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规晶粒材料所不具备的磁特性——超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、高比磁化率等。

（1）超顺磁性：纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，原因为：在小尺寸下，当各向异性能减小到与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，易磁化方向做无规律的变化，结构导致超顺磁性的出现，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。（2）矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。（3）居里温度：居里温度为物质磁性的重要参数，通常与交换积分成正比，并与原子结构和间距有关。对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。（4）磁化率：纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的粉体，一半粒子的宇成为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇成为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。（5）纳米微粒的其他磁特性：①纳米金属Fe（5nm）饱和磁化强度比常规α－Fe低40％，其比饱和磁化强度随粒径的减小而下降②单晶FeF2由顺磁转变为反铁磁的奈耳温度范围很窄，只有2K，而纳米FeF2（10nm）在78～88K由顺磁转变为反铁磁，即有一个宽达12K的奈耳温度范围；③1988年日本发现纳米合金Fe－Si－Bi－Cu（20～50nm）具有好的软磁性能，可用作高频转换器，其芯耗低至200mW／cm3，有效磁导率高于108。当晶粒度大于100nm时，上述软磁性能消失。④Sb通常为抗磁性，其χ＜0，但纳米微晶的χ＞0，表现出顺磁性。

16.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理。

答：十二烷硫醇包覆的Ag粒子在庚烷中将其分散，这些粒子尺寸分散性比较大，为了降低这种多分散性，需要采用尺寸选择沉淀法。

具体做法是：① 包覆型 Ag粒子在己烷中具有高的可溶性，而在吡啶中的可溶性差。先将包覆型 Ag粒子溶解在己烷中。②如果将吡啶缓慢加到含有包覆型 Ag粒子的己烷中，则当吡啶达到某一给定体积时，溶液将出现浑浊，并有沉淀出现，这相应于最大粒子的凝聚。这些粒子之间的范得瓦耳斯力比较大，溶液中加吡啶，Ag粒子聚集沉淀。③经离心沉淀分离，将大粒子收集起来，小粒子留在悬浮液中。（离心的转速要适当）④最大粒子凝聚体是可逆的。如将这些沉淀物放入己烷中再分散，即可形成均质的清澈透明溶液。将上述溶液滴一滴到TEM的碳栅极上，可得非常完整的组织。（如果将碳栅极浸入溶液3小时，则形成六角密堆积网络有序结构，这些聚集体的平均尺寸可以从0.03μm2到0.55 μm2。经高倍放大后，可看到，纳米粒子有两种不同的对称性排列。

17.简述光子晶体的概念及其结构。

答：将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带，光子能带之间可能出现带隙即光子带隙，具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体。

结构：一维、二维、三维光子晶体结构。例如：金刚石结构的光子晶体、一维介电棒组成的层状结构光子晶体、胶体晶体、反蛋白结构。

18.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并指出纳米材料研究中最重要的科学问题。答：纳米结构单元：0维: 团簇、纳米颗粒、八面体、三角形、多面体等；一维: 纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管和纳米锥等；二维: 纳米片等。

复杂的纳米结构：嵌段共聚物有序的自组装成为超分子纳米结构；多层膜；自组装形成管状、球状、层状和蘑菇状的结构

纳米器件：ZnO纳米线直流发电机、光子晶体、纳米棒的逻辑敏电路、纳米管收音机、纳米线染料敏化太阳能电池。纳米材料中最重要的科学问题：

19.简单论述单电子晶体管的原理。

答：单电子晶体管是依据库伦堵塞效应和单电子隧道效应的基本原理设计和制造的一种新型的纳米结构器件，在两个电极中间的绝缘层的中间再做一个电极，使之带半个电荷，两边的电极就会感应半个符号相反的电荷，因此可以通过电极Ⅱ上电压的变化来控制隧穿效应的发生。

绝缘层

20.简述纳米结构组装的工作原理。

答：

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 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 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 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 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 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 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方向移动，即 13.光致发光指在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在激发停止后还继续发射一定时间的光为 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：、和 15.STM成像的两种模式是和. 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？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 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？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

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？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 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？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，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 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、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 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

纳米材料考试试题3

纳米材料考试试题3

判断和填空 1由纳米薄膜的特殊性质，可分为两类：a、含有那么颗粒与原子团簇——基质薄膜。b、纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近于电子自由程和Debye长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。 2、.增强相为纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维的复合材料称为纳米复合材料；纳米复合材料包括金属基、陶瓷基和高分子基纳米复合材料；复合方式有：晶内型、晶间型、晶内-晶间混合型、纳米-纳米型等 3、宏观量子隧道效应微粒具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微粒的磁化强度,量子相干器 件中的磁通量等，具有隧道效应、称为宏观的量子隧道效应。 4、纳米微粒反常现象原因：小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应。 举例：金属体为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性。化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后却成为活性极好的催化剂。 5、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体。 6、超顺磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值进入超顺磁状态，例如a-Fe Fe3O4和a-Fe2O3 粒径分别为5nm 16nm和20nm时变成顺磁体这时磁化率X不再服从居里-外斯定律。 7、超顺磁状态的起源:在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米微粒显现的超顺的临界尺寸是不同的。 8纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc 10矫顽力的起源两种解释一致转动模式和球链反转磁化模式。 11.居里温度Tc为物质磁性的重要参数与交换积分成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。 12，大块金属具有不不同颜色的光泽，表明对可见光各种颜色的反射和吸收能力不同。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。反射率：Pt为1%,Au小于10%。对可见光低反射率、强吸收率导致粒子变黑。 13、当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。 14、物理法制备纳米粒子：粉碎法和构筑法。前者以大块固体为原料，将块状物质粉碎、细化，从而得到不同粒径范围的纳米粒子；构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子。 15、物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击破碎和磨碎。 16、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体 17.原位复合法主要有：共晶定向凝固法、直接氧化法和反应合成法 18、纳米增强相和金属基体之间的界面类型三种：不反应不溶解；不反应但相互；相互反应生成界面反应物。界面结合方式有四种：机械结合；浸润与溶解结合；化学反应结合；混合结合。界面的溶解和析出是影响界面稳定性的物理因素，而界面反应是影响界面的化学因素。 19、使纳米增强相遇金属基体之间具有最佳界面结合状态的措施：应该使纳米增强相与金属基体之间具有良好的润湿后，互相间应发生一定程度的溶解；保持适当的界面结合力，提高复合材料的强韧性；并产生适当的界面反应，而界面反应产物层应质地均匀，无脆性异物，不能成为内部缺陷（裂纹源），界面反应可以控制等。措施：增强相表面改性（如涂覆）;基体合金化（改性）。 20、原位复合法关键：在陶瓷基体中均匀加入可生成纳米第二相的元素或化合物，控制其反应生成条件，使其在陶瓷基体致密化过程中，在原位同时生长处纳米颗粒、晶须和纤维等，形成陶瓷基纳米复合材料。也可以利用陶瓷液相烧结时某些晶相生长成高长径比的习性，控制烧结工艺。也可以使基体中生长高长径比晶体，形成陶瓷基复合材料。优点：有利于制作形状复杂的结构件，成本低，同时还能有效地避免人体与晶须等地直接接触，减轻环境污染。 21、陶瓷基纳米复合材料的基体主要有：氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷。与纳米级第二相的界面粘结形式：机械粘结和化学粘结

纳米材料学

1. 团簇:一般指由几~几百个原子的聚集体系,尺寸≤1nm.其结构多样化,呈线状,网状,层状,洋葱状,骨架状…… 2. 人造原子:是指包含一定数量的真正原子的量子点,准一维的量子棒,准二维的量子盘以及~100nm 的量子器件 3. 同轴纳米电缆: 4. 介孔固体: 5. 介孔复合体: 6. 纳米结构: 7. 自组织合成和分子自组织合成: 8. 阵列体系的模板合成: 9. 纳米碳管及其分类:是由碳原子组成的Φ:几~几十nm,长约几十nm~μm 的管子,侧边为六边型,顶端为五边型封顶.有单壁碳管和多壁碳管,多壁管还分为单臂,锯齿形和手性. 10. 光吸收带蓝移和红移:与大块材料相比,纳米微粒的吸收带移向短波方向,是由于尺寸下降,能隙变宽;还有由于纳米微粒颗粒小,大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小.红移可能是由于粒子表面形成的偶极层的库仑作用引起的红移大于粒子尺寸的量子限域效应引起的蓝移,还可能是表面形成束缚激子导致发光. 11. 超顺磁性:铁磁纳米微粒尺寸小到一定临界值,就不再服从居里-外斯定律,呈顺磁性. 12. 磁性液体(结成和特点) 13. 沉淀法和共沉淀法:包含一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂后,或于一定温度下使溶液水解,形成不溶性氢氧化物或盐类从溶液中析出,并将溶液中原有的阴离子洗去,经热分解即得到所需的氧化物粉料. 含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后,所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法,分为单相共沉淀和混合物共沉淀. 14. 均相沉淀法:通过控制溶液中的沉淀剂浓度,使之缓慢地增加,则使溶液中的沉淀处于平衡状态,且沉淀能在整个溶液中均匀出现,这种方法称为均相沉淀. 15. 金属醇盐水解法:利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解,生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性,制备细粉料的一种方法. 16. 纳米微粒的尺寸,结构和形貌特征:1~100nm;一般呈球型,还有其他与制备方法密切相关的其他形状;结构一般与大颗粒相同,但颗粒内部,特别是表面层晶格畸变,有时会出现与大颗粒差别很大的情况. 17. 什么是久保理论?它的基本点是什么?该理论的优缺点是什么?是关于金属粒子电子性质的理论,将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,且忽略相互作用,得到的电子能级分布优于等能级间隔模型;还认为从超微粒子中取走或放入一个电子都是困难的,超微粒子是电中性的.久保理论解释了超微粒子在EPR,磁化率,比热等方面的量子尺寸效应,但对外界条件以及自旋-轨道相互作用对电子能级分布的影响没有考虑. 18. 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和纳米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的分子轨道能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应. 小尺寸效应:当超细微粒的尺寸与光波波长,德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致的声,光,电磁,热力学的新特性. 表面效应:纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例,使得表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合. 宏观量子隧道效应:一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦具有贯穿势垒的能力,称为宏观量子隧道效应. 库仑堵塞与量子隧穿: 介电限域效应:当粒子的尺度下降到可与激子的玻尔半径相比拟时,屏蔽效应被减小,而颗粒间的库仑作用得到增强,导致ε增加,激子束缚能增加等效应. 19. 纳米微粒的基本热学特征:纳米微粒的熔点,开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低很多.由于颗粒小,纳米微粒的表面能高,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,因此纳米粒子熔化所需增加的内能小得多,熔点急剧下降.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,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利与界面中的孔洞收缩,因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的. 20. 纳米微粒超顺磁性,高矫顽力,低T C 产生的原因:超顺磁性的起源:由于小尺寸下,当各向异性能减小到与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,易磁化方向作无规律变化,结果导致超顺磁性的出现.纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时呈现的高矫顽力,有一致转动模式和球链反转磁化模式.一致转动磁化:每个粒子就是一个单磁畴,要使这个磁铁去掉磁性,需要每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场.由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化,因此具有较低的居里温度. 21. 纳米材料往往呈现出常规粗晶不具有的发光现象,原因是什么?常规粗晶的结构存在平移对称性,由平移对称性产生的选择定则禁介使得它不能发光.当小到一定程度时,平移对称性消失.载流子的量子限域效应. 22. 如何分散纳米粒子?(1)加入反絮凝剂形成双电层.即选择恰当的电解质做分散剂,使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层,通过双电层之间库排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低,实现纳米微粒分散的目的.(2)加表(界)面活性剂包裹颗粒.使其吸附在粒子表面,形成微胞状态,由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力,使得粒子间不能接触,从而防止团聚体的产生. 23. 低压气体中蒸发法的基本原理是什么?影响纳米粒子尺寸的因素是什么?是在低压的氩,氦等惰性气体中加热金属,使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒.加热源又以下几种:电阻加热法;等粒子喷射法;高频感应法;电子束法;极光法. 可通过调节惰性气体压力,蒸发物质的分压即蒸发温度或速率,或惰性气体的温度来控制纳米微粒的尺寸. 24. 溅射法制备纳米微粒的基本原理:用两块金属板分别作为阳极和阴极,阴极为蒸发用的材料,在两电极间充入Ar 气(40~250Pa),两电极间施加的电压范围为0.3~1.5kV .由于两电极间的辉光放电使Ar 离子形成,在电场的作用下Ar 离子冲击阴极靶材表面,使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子,并在附着面上沉积下来.粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压,电流和气体压力. 25. 水热法制备纳米微粒方法的基本点:水热反应是高温高压下在水(水溶液)或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称.水热氧化;水热沉淀;水热合成;水热还原;水热分解;水热结晶. 26. 溶胶-凝胶法制备纳米粒子的基本原理与过程:基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥,焙烧,最后得到无机材料.过程包括:(1)溶胶的制备:一使先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来,经解凝,使原来团聚的沉淀颗粒分散称原始颗粒;另一种方法使由同样的盐溶液出发,通过对沉淀过程的仔细控制,使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀,从而直接得到胶体凝胶.(2)溶胶-凝胶转化:溶胶中含有的大量的水,凝胶化过程中,体系失去流动性,形成一种开放的骨架结构.途径有二:一是化学法,通过控制溶胶中的电解质浓度来实现凝胶化;二是物理法,迫使胶颗粒间相互靠近,克服斥力,实现凝胶化.(3)凝胶干燥:一定条件下(如加热)使溶剂蒸发,得到粉料,干燥过程中凝胶结构变化很大. 27. 常用的评估纳米粒子直径的方法有哪些?测量原理及运用的范围.(1)透射电镜观察法:用此方法测得的颗粒粒径,不一定是一次颗粒,往往是由更小的晶体或非晶,准晶微粒构成的纳米级微粒.这是因为在制备电镜观察用的样品时,很难使它们全部分散成一次颗粒.(2)X 射线衍射线宽法:是测定微粒晶粒度的最好方法.晶粒度<100nm.(3)比表面积法:通过测定粉体单位重量的比表面积S w ,假设颗粒呈球形,则颗粒直径w S d ρ/6=.容量法:测定已知量的气体在吸附前后的体积差,进而得到气体的吸附量;重量法:直接测定固体吸附前后的重量差,计算吸附气体的量.(4)X 射线小角散射法:假定粉体粒子为均匀形状,大小,利用X 射线衍射中倒易点阵原点(000)结点附近的相干散射现象,计算求出粒度分布和平均尺寸.颗粒约几~几十nm.(5)Raman 散射法:通过测量Raman 谱中某一晶峰在纳米晶体和常规晶体中的偏移来得到纳米晶粒的平均粒径. 28. 纳米固体基本构成及分类:基本构成十纳米微粒以及它们之间的分界面(界面).按小颗粒结构状态可分为纳米晶体,纳米微晶,纳米准晶材料;按小颗粒键的形式可分为纳米金属,纳米离子晶体,纳米半导体,纳米陶瓷材料;由单相微粒构成的固体称为纳米相材料,每个纳米微粒本身由两相构成(一种相弥散于另一种相中)的成为纳米复相材料.纳米复合材料大致包括三种类型:一是0-0复合,即不同成分,不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体;二是0-3复合,即把纳米粒子分散到常规的三维固体中;三是0-2复合,即把纳米粒子分散到二维薄膜材料中,又分均匀弥散和非均匀弥散. 29. 为什么纳米固体具有高比热,高热膨胀系数?体系的比热主要由熵贡献,在温度不太低的情况下,电子熵可以忽略,体系熵主要由振动熵和组态熵贡献.纳米结构材料的界面结构原子分布比较混乱,界面体积百分比大,因而纳米材料熵丢比热的贡献比常规粗晶材料大的多.固体的热膨胀与晶格非线形振动有关.纳米晶体在温度发生变化时,非线形热振动可分为两个部分,一时晶内的非线形热振动,二时晶界组分的非线形热振动,往往后者的非线形振动更为显著,可以说占体积百分数很大的界面对纳米晶热膨胀的贡献起主导作用. 30. 为什么纳米相材料在较宽的温度范围内具有好的热稳定性,而金属易长大?简述提高纳米相材料热稳定性的方法.因为金属纳米晶体晶粒生长激活能小,在热激活下,相对与纳米相材料晶粒易于长大,故热稳定温区较窄.提高热稳定性(1)降低界面迁移的驱动力.如果没有驱动力,则正向和反相运动的几率是相同的;在驱动力下使势垒产生不对称的偏移,就显示晶界的迁移.界面能量高及界面两侧相邻两晶粒的差别大有利于晶界迁移.纳米材料晶粒为等轴晶,粒径均匀,分布窄,保持纳米材料各向同性就会大大降低界面迁移的驱动力.(2)晶界结构弛豫.高能的晶界并不一定首先引起晶界迁移.晶界结构弛豫所需要的能量小于

纳米材料学总结

《纳米材料》 一、名称解释 纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。久保理论：关于金属粒子电子性质的理论，是针对金属超微颗粒面附近电子能级状态分布而提出的。 量子尺寸效应： 自组装：基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。 团簇：由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。 二、简答 列举几个材料或化学类的期刊；列举说明几种表征手段；列举几个研究纳米材料的研究小组 三、纳米材料不同于其它材料的物理化学性质； 四、列举几种材料的制备方法 五、抑制团聚的措施 六、光催化原理 光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激发生成电子-空穴对（当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子()和空穴()），空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化-还原作用，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物二氧化碳和水，甚至对一些无机物也能彻底分解。 第二章纳米微粒的基础 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和纳米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的分子轨道能级，能隙变宽现象。 2. 小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长，德布罗意波长以及超导态的相干长度或者透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小。 3. 表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能大，表面原子配位不足，活性强。 4. 宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。 第三章纳米微粒结构与物理性质

纳米技术考试题答案

纳米材料和纳米机构。。。。。。2 纳米材料分析。。。。。。。。。。。。1 一纳米技术的内容和定义（2-2） 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等二纳米技术三个层面概念的理解 从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念： 第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发

热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。 三纳米技术的发展史，起源和发展方向（2-9） 四我国的纳米发展史 1.“中国实验室国家认可委员会”是负责实验室和检查机构认可及相关工作的认可机构，为规范纳米产品市场、推动制定相关纳米材料及产品的标准，“国家纳米科学中心”和“中国实验室国家认可委员会”会商多次，联合成立“纳米技术专门委员会”，挂靠在“国家纳米科学中心”。 2. 中国政府透过中国科学院主导众多纳米科技研发计划，多数强调半导体制造技术和发展以纳米科技为基础的电子元件，另一是利用纳米材料保存考古文物。 已成功发展出的产品包括新式冷气机，其特点为利用创新的纳米材质。另估计约有两百家企业积极从事纳米科技产品的商业化。 五纳米材料的四大效应(2-59) 六纳米材料的制备方法（2-112） 按制备原理分为：物理和化学 按生成介质分为：固液气

纳米材料学教案

《纳米材料》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：2 中文名称：纳米材料 英文名称：Nano-materials 适用专业：化学工程与工艺 课程类别：专业选修课 开课时间：第5学期 总学时：32 总学分：2 二、课程简介（字数控制在250以内） 《纳米材料》是化学工程与工艺专业的一门专业选修课，本课程系统地讲授各类纳米材料的概念、制备方法、结构和性能特征以及表征技术和方法，在此基础上，对其发展前景进行了展望。通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 三、相关课程的衔接 与相关课程的前后续关系。 预修课程（编号）：高等数学B1（210102000913）、高等数学B2（210102000713）、物理化学A1（2）、物理化学A2（2），无机化学（A1）（2）、无机化学（A2）（2）。 并修课程（编号）：无特别要求 四、教学的目的、要求与方法 （一）教学目的 通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 （二）教学要求 掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状，对未来发展前景有一定的认识。

（三）教学方法 本课程遵循科学性、系统性、循序渐进、少而精和理论联系实际的教学原则，结合最新的研究成果着重讲述有关纳米材料的基本理论、理论知识的应用。本课程以课堂讲授教学为主，教学环节还包括学生课前预习、课后复习，习题，答疑、期末考试等。 五、教学内容（实验内容）及学时分配 （1学时） 第一章绪论（2学时） 1、教学内容 1.1纳米科技的基本内涵 1.2纳米科技的研究意义 1.3纳米材料的研究历史 1.4纳米材料的研究范畴 1.5纳米化的机遇与挑战 2、本章的重点和难点 本章重点是纳米科技与纳米材料的基本概念。 第二章纳米材料的基本效应（2学时） 1、教学内容 2.1 小尺寸效应 2.2 表面效应 2.3 量子尺寸效应 2.4宏观量子隧道效应 2.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 2.6 介电限域效应 2.7 量子限域效应 2.8 应用实例 2、本章的重点和难点 重点：纳米材料的表面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应。难点：宏观量子隧道效应。 第三章零维纳米结构单元（4学时） 1、教学内容 3.1 原子团簇

石墨烯纳米材料及其应用

墨烯纳米材料及其应

二?一七年十二月

摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签

石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov

纳米技术复习资料

纳米技术就是一门交叉性很强得综合学科,研究得内容涉及现代科技得广阔领域。纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透得学科与纳米材料、纳米器件、纳米尺度得检测与表征这三个研究领域。纳米材料得制备与研究就是整个纳米科技得基础。其中,纳米物理学与纳米化学就是纳米技术得理论基础,而纳米电子学就是纳米技术最重要得 内容。 从迄今为止得研究来瞧,关于纳米技术分为三种概念: 第一种,就是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造得机器》一书中提出得分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子得机器实用化,从而可以任意组合所有种类得分子,可以制造出任何种类得分子结构。这种概念得纳米技术还未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术得极限。也就就是通过纳米精度得"加工"来人工形成纳米大小得结构得技术。这种纳米级得加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这就是因为,如果把电路得线幅逐渐变小,将使构成电路得绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热与晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型得纳米技术。 第三种概念就是从生物得角度出发而提出得。本来,生物在细胞与生物膜内就存在纳米级得结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机得开发,成为纳米生物技术得重要内容。2、纳米技术得发展史 1993年,第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开,将纳米技术划分为6大分支:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术与纳米计量学,促进了纳米技术得发展。由于该技术得特殊性,神奇性与广泛性,吸引了世界各国得许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0、1一100nm)得材料、设计、制造,测量、控制与产品得技术。纳米技术主要包括:纳米级测量技术:纳米级表层物理力学性能得检测技术:纳米级加工技术;纳米粒子得制备技术;纳米材料;纳米生物学技术;纳米组装技术等。 灵感来源 纳米技术得灵感,来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作得一次题为《在底部还有很大空间》得演讲。这位当时在加州理工大学任教得教授向同事们提出了一个新得想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片得所有技术,都与一次性地削去或者融合数以 亿计得原子以便把物质做成有用得形态有关。费曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角

《科学与技术》期末考试试题与答案版

科学与技术复习试题 一、选择题（每题2分，共10分） 1．自然界中一切物体的相互作用，都可能归结为四种基本的相 互作用，即引力、弹力、电磁力和(C)相互作用。A．地磁力B．分子力C强力D．结合力 2．基因是含特定遗传信息的核苷酸序列，是(D)的最小功能单位。 A ．细胞 B ．蛋白质 C ．氨基酸 D ．遗传物质 3.1996年，世界上第一只克隆羊——多利面世，这 是世界上首次利用(A)技术而培养出的克隆动物。 A. 细胞核移植 B ．细胞融合C．细胞培养 D ．细胞膜嫁 接 4．由无数恒星和星际物质构成的巨大集合体称为(A) 。 A．星系 B ．星空 C ．星云 D ．星际 5．光纤通信利用光纤来传送(C)，它是20世纪70年代发展起来的一种新的通信方式。 A．电 B ．声 C ．光 D ．机械 二、填空题（每空2分，共10分） 6．科学是技术发展的__理论__基础，技术是科学发展的手段， 他们相互依存、相互渗透、相互转化。 7 ．我国863计划中，被评选列入该纲要的8个技术群是生物技 术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能 源技术、新材料技术和海洋技术。 8 ．新技术革命的兴起是以__信息技术为先导的。 9．板块构造说的理论是在__大陆漂移学说、海底扩张 学说的基础上发展起的。 10.1987年，世界环境与发展委员会发布了一份 题为《我们共同的未来》的报告，首次提出了“可持续 发展”的概念。 三、名词解释（每题5分，共20分） 11．核能是在原子核变化过程中，从变化前后原子核质量亏损的质量 差转化来的能量。 12. 纳米材料就是用特殊的方法将材料颗粒加工到纳米级（lo-g 米），再用这种超细微粒子制造的材料。 13. 地球外部圈层结构指地球外部离地表平均800千米以内的圈 层，包括大气圈、水圈和生物圈。 14 ．物质生产力一（劳动者十劳动资料十劳动对象十管理 +??） 高科技。四、简答题（每题15分．共30分） 15．简述科学认识发展的动因。 (1)科学认识发展的外部动因（8分） 恩格斯曾经指出：“经济上的需要曾经是，而且越来 越是对自然界的认识进展的主要动力”。 一般地说，在19世纪中叶以前，科学是落后于生产和技术的， 它的发展是在生产需要的推动下进行的。而从19世纪下半叶以后，科学理论研究不仅走在技术和生产的前面，还为技术和生产的发展开辟了各种可能的途径。进入二十世纪以后，现代科学产生了空前的先行作用，科学变成了超越一般技术进步的因素。 (2)科学认识发展的内部动因（7分） 科学作为系统化的理论知识体系，有其自身的矛盾运 动和继承积累关系。科学发展的内部矛盾运动是它的内部动力。它表现为：1)新事实和1日理论的矛盾。2)各种不同观点、假说和理论的矛盾。 16．简述新材料发展的方向。 随着社会的进步，人类总是不断地对材料提出新的要求。当今新材料的发展有以下几点： (1)结构与功能相结合。即新材料应是结构和功能 上较为完美的结合。（3分） (2)智能型材料的开发。所谓智能型是要求材料本身具 有一定的 模仿生命体系的作用，既具有敏感又有驱动的双重的功能。（3 分） (3)少污染或不污染环境。新材料在开发和使用过 程中，甚至废弃后，应尽可能少地对环境产生污染。 （3分） 18世纪中叶产 生

纳米材料科学与技术

聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress

纳米材料复习

1.纳米材料的表面效应：纳米材料微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。 2.纳米材料的光致发光：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回到低能级被空穴俘获而发射出光子的现象。 3.纳米产品的制造方式： （1）“自上而下”(top down) ：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。如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。 (2)“自下而上”(bottom up) ：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，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。如化学合成、自组装、定位组装等。 4.纳米材料的光催化性质：就是光触媒在外界可见光的作用下发生催化作用。光催化一般是多种相态之间的催化反应。光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。 5.(1)物理气相沉积:在低压的惰性气体中加热可蒸发的物质，使之气化，再在惰性气氛中冷凝成纳米粒子。 （2）化学气相沉积:是指在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。 1纳米微粒的蓝移和红移现象： A 蓝移 （1）由于纳米粒子的量子尺寸效应导致纳米微粒的光谱峰值向短波方向移动的现象 例如：纳米SiC颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是814 cm-1和794 cm-1。蓝移了20 cm-1。纳米Si3N4颗粒和大块固体的峰值红外吸收频率分别是949 cm-1和935 cm-1，蓝移了14 cm-1。 （2）纳米微粒吸收带“蓝移”的解释：量子尺寸效应 由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。 Ball等对这种蓝移现象给出了普适性的解释：已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因，这种解释对半导体和绝缘体都适用。 B 红移 （1）由于纳米粒子的表面或界面效应引起的光谱峰值向长波方向移动的现象 例如，在200~1400nm波长范围，单晶NiO呈现八个光吸收带。蜂位分别为3.52，3.25．2.95，2.75，2.15，1.95，1.75和1.13 eV， 纳米NiO(粒径在54~84nm范围)不出现3.52eV的吸收带，其他7个带的蜂位分别为3.30，2.99，2.78，2.25，1.92，1.72和1.03eV， 很明显，前4个光吸收带相对单晶的吸收带发生蓝移，后3个光吸收带发生红移（2）吸收光谱的红移现象的原因：由于表面或界面效应，引起纳米微粒的表面张力增大，使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起的。 2.纳米材料的宽频带强吸收与实际用途 （1）宽频带强吸收：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。 纳米材料对红外光的吸收谱随着纳米晶粒尺寸减小，红外吸收峰趋于宽化。原因：随着粒径的减小，纳米晶粒的比表面积增大，表面原子所占比例增大，界面原子与内层原子的差异导致了红外吸收峰的宽化 （2）实际应用：红外隐身技术：在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。 高效率地将太阳能转变为热能、电能，还可能应用于红外敏感元件 3.溶胶—凝胶法的工艺过程： （1）基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。 （2）过程：溶胶的制备；溶胶—凝胶转化；凝胶干燥。（溶胶—凝胶过程根据原料的种类可分为有机途径和无机途径两类。） （3）溶胶—凝胶法的优缺点如下： (i)化学均匀性好：由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。 (ii)高纯度：粉料(特别是多组份粉料)制备过程中无需机械混合。 (iii)颗粒细：胶粒尺寸小于0.1um。 (iv)该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化。不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。 (v)烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结性不好。 (vi)凝胶干燥时收缩大。 4、自然界的纳米现象： （1）“蜜蜂、鸽子、蝴蝶”的罗盘—腹部的磁性纳米粒子； （蜜蜂外出时，将花草、树木等图像储存进纳米粒子；归来时，把所储存的图像与自己看到的图像进行比较和移动，直到这两个图像完全一致，它们就可以找回家了） （2）螃蟹的横行—磁性粒子指南针定位作用的紊乱； （亿万年前，螃蟹并非横行，其第一对触角里有几颗磁性纳米粒子，可以定向；后来由于地球的磁场发生多次剧烈倒转，螃蟹触角里的那几颗磁性纳米粒子发生错乱，失去了正确指示方向的功能。） （3）海龟在大海中的巡航—头部磁性粒子的导航；

(完整版)纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。