纳米材料与技术思考题Word文档下载推荐.docx

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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？

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？

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

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

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：

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。

库仑堵塞效应：

前一个电子对后一个电子的库伦排斥，小体系单电子运输行为

7、随着颗粒直径的减小，材料的熔点有什么改变？

材料的热稳定性有什么改变？

熔点下降，由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些表面原子临近配位不全，活性大，纳米例子熔化时，所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降

热稳定性变差，微粒半径越小，热稳定性越差

8．巨磁电阻效应：

1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁电阻效应

9“自上而下”（topdown）：

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

10．“自下而上”（bottomup）：

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

11．量子器件:

利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件

12．纳米材料与传统材料的主要差别：

第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内

第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象

13．纳米技术与微电子技术的主要区别是：

纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；

而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的，人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制

14.纳米材料有哪些危害性？

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

纳米技术对环境的危害性：

美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性

15、激子的定义是什么？

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）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；

后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中

16、什么是超顺磁性？

磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；

而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象就是所谓的超顺磁效应（SuperparaMagneticEffect）

17、名词解释：

STM、AFM、SEM、XRF、TEM

STM扫描隧道显微镜AFM原子力显微镜

SEM扫描电子显微镜XRFX射线荧光分析

TEM透射电子显微镜

18、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响

STM工作原理：

扫描隧道显微镜是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持恒定的电流，依此来观测物体表面的形貌

STM对纳米技术的影响：

它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率此外扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具

AFM工作原理：

AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂会因为受到探针头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、静电力、磁力（见磁力显微镜）喀希米尔效应力、溶剂力等等通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（如铝）以增强其反射通过惠斯登电桥，探头的形变何以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏

AFM对纳米技术的影响：

不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织

19、名词解释CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD

CVD化学气相沉积法PVD物理气相沉积法

PLD激光诱导沉积法MBE分子束外延

PECVD等离子体增强化学气相沉积法

20、详细描述纳米粒子的一种制备方法和一种应用

物理方法1）真空冷凝法：

用真空蒸发，加热，高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷，其特点纯度高，结晶组织好，粒度可控，但技术设备要求高；

2）物理粉碎法：

通过机械粉碎，电火花爆炸等方法得到纳米粒子，其特点操作简单，成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀；

3）机械球磨法：

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子，合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子，其特点操作简单,成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀

化学方法：

1）气相沉积法：

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料，其特点产品纯度高，粒度分布窄；

2）沉淀法：

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物；

3）水热合成法：

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子，其特点纯度高，分散性好，粒度易控制；

4）溶胶凝胶法：

金属化合物经溶液，溶胶，凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子，其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备；

5）微乳液法：

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液在微泡中经成核，聚结,团聚,热处理后得纳米粒子，其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备

详细方法描述：

1）惰性气体冷凝法（IGC）制备纳米粉体（固体），其主要过程是：

在真空蒸发室内充入低压惰性气体（He或Ar），将蒸发源加热蒸发，产生原子雾，与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷棒上聚集起来，将聚集的粉状颗粒刮下，传送至真空压实装置，在数百MPa至几GPa压力下制成直径为几毫米，厚度为10mm～1mm的圆片2）高能机械球磨法制备纳米粉体，它是一个无外部热能供给的、干的高能球磨过程，是一个由大晶粒变为小晶粒的过程此法可合成单质金属纳米材料，还可通过颗粒间的固相反应直接合成各种化合物（尤其是高熔点纳米材料）:

大多数金属碳化物、金属间化合物、Ⅲ-Ⅴ族半导体、金属-氧化物复合材料、金属-硫化物复合材料、氟化物、氮化物3）低能团簇束沉积法（LEBCD）制备，纳米薄膜该技术也是新近出现的，由Paillard等人于1994年初发展起来首先将所要沉积的材料激发成原子状态，以Ar、He气作为载体使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，然后利用飞行时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇束沉积而形成薄膜此法可有效地控制沉积在衬底上的原子数目

21、详细描述一种薄膜制备的方法

溶胶——凝胶法的机理：

1）先将前驱体溶在溶剂中（就如一般的sol-gel法一样）；

2）经过水解缩聚反应变为溶胶；

3）溶胶再经过陈化变为湿凝胶；

4）经过干燥处理变为干凝胶而对于制备纳米薄膜，则将2）步中得到的硅酸盐凝胶通过喷涂或浸渍法将其涂于基片表面，再经过空气中水分作用，发生水解和缩聚产生凝胶薄膜，而后将其干燥处理变得到纳米薄膜

物理气相沉积方法制备纳米薄膜，此法作为一种常规的薄膜制备手段被广泛应用于纳米薄膜的制备与研究工作，包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等这一方法主要通过两种途径获得纳米薄膜：

1）在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成，比如采用共溅射法制备Si/SiO2薄膜，在700～900℃氮气气氛下快速降温获得Si颗粒；

2）在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制和在溅射过程中，采用高溅射气压、低溅射功率显得特别重要，这样易于得到纳米结构的薄膜

22、请举出一种纳米薄膜的应用例子。

纳米薄膜材料有诸多应用例如，作为光的传感器，金颗粒膜从可见光到红外线的范围内，光的吸收效率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件铬—三氧化二铬颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，可以有效地将太阳能转变为热能；

硅、磷、硼颗粒膜可以有效地将太阳能转变为电能；

氧化锡颗粒膜可制成气体—湿度多功能传感器，通过改变工作温度，可以用同一种膜有选择地检测多种气体

23、磁性液体的定义及特殊性质

定义：

磁性液体又称磁液、磁流体、磁性流体或铁磁流体，是由强磁性粒子、基液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性

特殊性质:

1）表现为超顺磁性，本征矫顽力为0，没有制磁；

2）光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色效应；

3）超声波在其中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性

24、举例说明：

常规能源、新能源、可再生能源、不可再生能源

常规能源：

指人类已广泛使用且开发利用技术比较成熟的能源，如煤、石油、天然气、水能和生物能等常规能源是目前全世界最主要的能源，占全部能源生产消费总量的90％以上

新能源：

指传统能源之外的各种能源形式，即刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能（潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能）、生物质能和核聚变能等

可再生能源：

泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类历史时期内都不会耗尽的能源，但可再生能源不包含现时有限的能源如太阳能、地热能、水能、风能、生物能、潮汐能

不可再生能源：

指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，叫“不可再生能源”如煤、石油、天然气、核能、油页岩

25、Graphene（石墨烯）的显著特征是什么？

1）具有比硅高得多的载流子迁移率，在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度，是纳米电路的理想材料；

2）电子运输特性表现出了异常的整数量子霍尔效应；

3）石墨烯结构非常稳定，迄今为止研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况；

4）尽管只有单层原子厚度，但石墨烯具有相当的不透明度：

可以吸收大约2.3%的可见光；

5）石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上１００倍

26、什么是纳米管、量子点？

纳米管：

纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管两端基本上都封口）的一维量子材料纳米管的硬度要比钢材坚硬100倍它可以耐受6500°

F（3593℃）的高温，并且具有卓越的导热性能纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体纳米管在极低的温度下还具有超导性

量子点：

量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子”

27、解释：

SWNTS、MWNTS

SWNTS单壁碳纳米管MWNTS多壁碳纳米管

各章具体要求

第一章

1、了解纳米技术提出的背景及发展过程

背景：

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示

一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；

发展过程：

1987年，Bell实验室的科学家发明了一种靠单电子作为电流开头的晶体管世界上第一个单电子晶体管诞生

1988年，Dupont公司的科研人员W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个人为设计的蛋白质诞生了

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；

1993年，第一个致力于纳米技术研究的实验室在美国Rice大学诞生

1999年，美国耶鲁大学的科学家创造了单分子有机开关

2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划（NNI），NNI的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到普遍的接受自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮

2、什么是纳米世界的“眼”和“手”

扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）

3、与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个？

1986年：

鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；

比尼格（德国）、罗雷尔（瑞

士）设计第一台扫描隧道电子显微镜

2010年：

英国曼彻斯特大学科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖

4、世界上第一个单电子晶体管何年诞生？

（1987）

5、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生？

（1988）

6、第一届国际纳米科技会议何年在哪召开？

1990年7月，美国巴尔的摩

7、世界上第一个致力于纳米技术的实验室何年在哪诞生？

1993年美国Rice大学

8、首届纳米材料会议在哪召开？

1993年，第一届国际纳米技术大会（INTC）在美国召开

9、团簇：

原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm）

10、纳米微粒：

是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉

是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束也叫一维量子线

11、量子线：

是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在三个维度上的能量都是量子化的也叫零维量子点

12、量子阱：

是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（

Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小有时也称为二维超晶格

13、人造原子：

人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm

14、人造原子与真正原子的相似和不同之处：

1）人造原子含有一定数量的真正原子；

2）形状和对称性多种多样（形貌），真正原子可用球形或立方形描述

3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多（多电子交互作用）

4）实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势

15、富勒烯的结构、特性：

A、六元环的每个碳原子均以双键与其他碳原子结合，形成类似苯环的结构，它的σ

键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的σ键，也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的σ

键，是以sp2.28杂化轨道形成的σ键单键键长为0.145nm

B、C60的л键垂直于球面，含有10％的s成分，90％的p成分，即为s0.1p0.9，双键键长为0.14nm

C、C60中两个σ键间的夹角为106o，σ键和л键的夹角为101.64o

D、由于C60的共轭π键是非平面的，环电流较小，芳香性也较差，但显示不饱和双键的性质，易于发生加成、氧化等反应，现已合成了大量的C60衍生物

16、富勒烯的应用：

1）.C60分子本身不导电，它可能成为继Si、Ge、GaAs之后的又一种新型半导体材料

2）.C60和C70是一种良好的非线性光学材料

3）.合成金刚石的理想原料

4.富勒烯的氢化物由于含有大量的氢且性质稳定，有可能作为储氢材料或高能燃料C60F60

（特氟隆球）是一种超级耐高温和耐磨材料，被认为是比C60更好的润滑剂

5）.C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物，形成新的分子团簇

6）.在生理医学方面，还可利用C60内部中空来包裹放射性元素，用于治疗癌症，以减轻放射性物质对健康组织的损害

17、碳纳米管的结构：

多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成管间距为0.34nm左右，这相当于石墨的面间距碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原子的五边形封顶

碳纳米管的分类：

根据管壁可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管

存在三种类型的结构：

分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管

18、碳纳米管的性质和应用：

1.性能

（1）电磁性能：

碳纳米管具有螺旋、管状结构，预示其具有不同寻常的电磁性能由于直径和螺旋性不同，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，因而不必掺杂就可以制成一维半导体-金属器件；

（2）力学性能：

具有低密度、高弹性模量、高强度；

（3）热学性能：

高的热传导率；

（4）吸附性能：

具有很强的毛细吸引力

2应用

（1）场发射

（2）修饰电极（3）分子电子器件（4）导电或抗静电塑料（5）探针显微镜（SPM）针尖（6）复合增强材料（7）储气（8）催化剂载体（9）作为模板合成其它纳米管

第二章

1.体积效应：

纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少许多现象不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应

2.表面效应：

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，因而极易与其它原子结合而趋于稳定

3.量子尺寸效应：

由尺寸减小，超微颗粒的能级间距变为分立能级，如果热能，电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，超微颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应

4.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---小尺寸效应

（1）久保理论的两个假设是什么?

A简并液体费米假设——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期，并进一步假设他们的能级为准粒子态的不连续能级；

B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

2、

3、表（界）面效应的主要影响：

1）.表面化学反应活性（可参与反应）

2）.催化活性

3）.纳米材料的（不）