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1 纳米材料导论复习题 2013.12 第一章 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。 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。 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纳米 100 纳米范围之间，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 7、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响 答：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2 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。 8、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） 。 9、举例说明：常规能源、新能源、可再生能源、不可再生能源。 答：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。 10、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 11、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： 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。 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。 纳米尺度的检测和表征。 12、纳米技术与微电子技术的主要区别是： 3 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。 13、了解纳米技术提出的背景及发展过程 背景：1959年，美国物理学家R. Feynman 发表“Theres Plenty of Room at the Bottom”的著名 讲话。 1962 年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo)提出针对金属超微粒子的著名的久保理论，即超微 粒子的量子限域理论。 1981 年，苏黎世 IBM 研究所 G. Binnig 和H. Rohrer 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； 1984 年，德国萨尔大学的H. Gleiter 等人首次制备纳米相材料。 1985 年，H. W. Kroto, R. E. Smalley 和 B. Curl 发现碳60，1996 年三人获诺贝尔化学奖 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。 14、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） ， STM 是 20 世纪80 年代世界十大科技成 就之一。 15、纳米科技之父：纳米科技的预言者理查德费曼先生，1959 年 12 月 29 日在美国应 用物理年会上的讲话 在底部还有很大空间 。主要内容有：如果有一天可以按人的意志 排列一个个原子，世界将会发生什么呢？”； “就物理学家而言，一个一个原子地构造物质 并不违背物理学规律。” ；“对大尺度的表观物质而言，微小原子的行为无足轻重，但它们 都服从量子力学定律。因此当我们下到微观世界把原子胡乱拨弄一通时，我们将在不同的规 律下工作，而且可以期望做出不同的事情。” ；“在原子水平上，我们面对着新的力和新的 效应，材料的制造和生产问题将十分不同。” 16、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。 17、世界上第一个单电子晶体管何年诞生？（1987） 18、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生？（1988） 19、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。 20、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。 第二章 1、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。 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。 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。 2、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。 3、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。 4、试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因； A.纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方面： 1）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 2） 、表面效应：由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小对纳米氧化 物和氮化物微粒研究表明：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。 B 吸收光谱的红移现象的原因 1）电子限域在小体积中运动，量子限域效应； 2）粒径减小，内应力（P=2g/r, r 为半径，g为表面能）增加，这种内应力的增加会导致能带 结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，这就导致电子由低能级向高 能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移； 5 3）能级中存在附加能级，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，导致能级间距变小键长的变长，光 吸收带的位置是由影响蜂位的蓝移因素和红移因素共同作用的结果， 如果前者的 影响大于后者，吸收带蓝移，反之，红移。 5、什么是超顺磁性？ 答：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。 6、 试解释磁性纳米颗粒尺寸小到一定临界值时出现超顺磁性的原因超顺磁状态的起源可归 为以下原因： A 当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向)减小到与热运动能 可相比拟，在热扰动作用下，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 的变化，结果导致超顺磁性的出现； B 不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的； 7、试述纳米材料的光致发光不同于常规材料的原因 1）由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子、特别是表面激子很容易 形成，因此容易产生激子发光带； 2）界面体积大，存在大量的缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级； 3）平移周期被破坏，在K 空间常规材料中电子跃迁的选择定则可能不适用晶体场不对称 4）杂质能级杂质发光带处于较低能量位置，发光带比较宽 8、试述半导体催化剂的微粒尺寸减小，其光催化效率提高的原因 A能隙变宽 (1)当半导体粒子的粒径小于某一临界值(一般约为 10nm)时，量子尺寸效应变得显著，电荷 载体就会显示出量子行为，主要表现在导带和价带变成分立能级，能隙变宽，价带电位变得 更正，导带电位变得更负，这实际上增加了光生电子和空穴的氧化还原能力，提高了半导 体光催化氧化有机物的活性 (2)量子尺寸效应 B 电子空穴分离效率高 (1)半导体纳米粒子粒径通常小于空间电荷层的厚度， 在离开粒子中心的L 距离处的势垒高度 为：(2)LD 是半导体的德拜长度，空间电荷层的任何影响都可以忽略 (3)光生载流子(电子、空穴）通过简单的扩散从粒子的内部迁移到粒子的表面与电子给体或 受体发生氧化或还原反应 (4)在光催化剂中电子和空穴的俘获过程是很快的 这意味着半径越小，光生载流子从体内扩散到表面所需的时间越短，光生电荷分离效果就越 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，提高电子空穴分离效率 C吸附能力强纳米粒子的尺寸很小，处于表面的原子很多，比表面积很大，吸附有机污染物 的能力提高，光催化降解有机污染物的能力提高。研究表明，在光催化体系中，反应物吸附 在催化剂表面上是光催化反应的一个前置步骤， 纳米半导体粒子强的吸附效应甚至允许光生 载流子优先与吸附的物质反应，而不管溶液中其他物质的氧化还原电位的顺序。 8、磁性液体的定义及特殊性质 答：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6 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。 9、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 量子尺寸效应： 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。 10、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？ 答：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。 11、电子在纳米材料中的传播特点是什么? 答：小尺寸效应，多晶界的存在，电子散射增强，晶界原子更加混乱，使得界面热垒升高， 加之纳米材料的量子尺寸效应，共同使电阻变大。 12、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）稳定性 4）铁磁质的居里温度降低 5）熔点降低 6）烧结温度降低 7）晶化温度降低 8）纳米材料的超塑性和超延展性 9）介电材料的高介电常数（界面极化） 10）吸收光谱的红移现象 13、小尺寸效应的主要影响： 1） 、金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量 2） 、宽频带强吸收性质（光波波长） 3） 、激子增强吸收现象（激子半径） 4） 、磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性） （各向异性能） 5） 、超导相向正常相的转变（超导相干长度） 6） 、磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸） 14、纳米微粒表现出与宏观块体材料不同的的微观特性和宏观性质 A导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体绝缘体氧化物相反； B 磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关； C比热亦会发生反常变化，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关； D 光谱线会产生向短波长方向的移动； E催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高，少一个原子活性很低。 第三章 7 1、“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。 “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。 2、气相法制备纳米微粒的分类？ 气相法制备纳米微粒包括： 化学气相反应法：气相分解法，气相合成法，气固反应法 物理气相法：气体冷凝法，氢电弧等离子体法，溅射法，真空沉积法，加热蒸发法，混合等 离子体法。 3、液相法制备纳米微粒的分类？ 液相法制备纳米微粒分为：沉淀法，水热法，溶胶凝胶法，冷冻干燥法，喷雾法 4、试述气体冷凝法制备纳米微粒的基本原理 定义:此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒 (11000nm)或纳米微粒。 原理：整个过程是在超高真空室内进行通过分子涡轮使其达到0.1Pa 上的真空度，然后充入 低压(约2KPa)的净惰性气体 (He 或Ar，纯度为99.9996)，欲蒸的物质(例如，金属，CaF 2 ， NaCl，FeF 等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等)置于坩埚内，通过钨电阻 加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾，由于惰性气体的对流，烟 雾向上移动，并接近充液氦的冷却棒(冷阱，77K)在蒸发过程中，原物质发出的原子与惰 性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却，在原物质的蒸气中造成很高的局域过饱和，导 致均匀的成核过程，在接近冷却棒的过程中，原物质的蒸气首先形成原子簇，然后形成单个 纳米微粒在接近冷却棒表面的区域内，单个纳米微粒聚合长大，最后在冷却棒表面上积累起 来用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起来获得纳米粉。 5、溶胶凝胶法制备纳米微粒的基本原理 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、煅烧除去有机成 分，最后得到无机材料。 6、名词解释CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD 答：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. 7、详细描述纳米粒子的一种制备方法和一种应用 答：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 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，族8 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、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。 8、详细描述一种薄膜制备的方法 答：溶胶凝胶法的机理：1）先将前驱体溶在溶剂中（就如一般的solgel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700900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。 9、请举出一种纳米薄膜的应用例子。 答： 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。 10、分子自组装：是指分子与分子在平衡条件，依赖分子间非共价键力自发的结合成稳定的 分子聚集体的过程。主要有三个过程（详见PPT）。 第四章 1、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1 nm)。 2、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。 量子点：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。 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。 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。 9 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 3、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）人造原子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。 4、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（SWNTS）和多壁碳纳米管（MWNTS） 。存在三种类型的结 构：单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。 5、石墨烯的显著特征是什么？ 答：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. 6、什么是纳米管、量子点？ 答：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6500F （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”。 7、C 60 的结构 Kroto 等首先提出了的封闭结构设想，由 20 个六边形环和 12 个五边形环组成的球形 32 面 体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互联接；32面体共有 60个顶角，每个顶角由 一个碳原子占据，这种 32 面体也可看成是由 20 面体经截顶后形成的，故又称截顶 20 面体， 球形 C60 分子的直径的理论计算值为 7.1，大约有3 的空心。 8、纳米脂质体由磷脂为膜材，胆固醇为主要附加剂组成。通过吸附、脂交换、内吞和融合 与细胞相互作用。 9、纳米玻璃制备方法 熔融热处理法，溶胶-凝胶法，离子注入法，射频磁控溅射，气相沉积法，熔融-分相法， 辅助电场(磁场)法，熔融光诱导热处理晶化法等。