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1、纳米材料与技术（除15年试卷之外的题）华南农业大学一、填空： （每空 1 分，总共 30分）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 。 二、简答题： （每题 5分，总共 45 分）纳米材料有哪四种维度？试举例。 纳米块体（三维纳米材 料）、纳米薄膜（二
2、维）、纳米线（一维）、量子点（0维）。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
3、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。 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
4、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11. 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。 纳
5、米材料：三个维度中至少有一维的长度属于纳米级（1- 100nm）。 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？答：熔点下降，由于颗粒小，
6、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”（to pdown）：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”（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
7、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14. 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18、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
8、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2 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
9、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
10、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SWNTS单壁碳纳米管MWNTS多壁碳纳米管第一章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）9、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）10、纳米微粒：是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒
11、，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100nm314、人造原子与真正原子的相似和不同之处：15、富勒
12、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。键不同于石墨中sp2杂化轨道形成的。 键，也不同于金刚石中sp3杂化轨道形成的o键，是以sp2.28 杂化轨道形成的o键单键键长为0.145nm B、C60的Ji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o键间的夹角为106o，o键和J 键的夹角为.64oD、由于C60的共轭n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
13、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髙能燃料C60F60 (特氟隆球)是一种超级耐髙温和 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
14、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 和手性纳米管第二章库仑堵塞效应在两电极间（其接合静电容量为C）距离变小时，由于隧道 效应，电子可以从一极向 另一极移动，如果双方经典平衡，要移 动一个电子，其能量仅增加Ec = e2/2C。此能量在室温时与热能 相比非常小，而当导体尺度极小时，C变得很小；尤其在低温 时，热能也很小，这时就必须考虑Ec。如果没有这一能量，在低 偏流电压下，电子的流动受到抑制
15、，导体就不会产生传导。这种 因库仑力导致对传导的阻 碍，就是所谓的库仑阻塞现象。答：41. 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
16、，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 为量子尺寸效应久保理论的两个假设是什么？ A简并费米液体假设B超微粒子电中性假设第三章，第四章1 、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。 答：熔点和开始烧结温度比常规 粉体的低得多，比热容增加A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B烧 结温度降低：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
