纳米材料考试参考答案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(107)到十亿分之一米(109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100 nm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。 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3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4“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。5“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。6量子器件:利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件7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。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：纳米材料 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 所谓纳米器件，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9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。第二页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l nm)。纳米微粒：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。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100 nm。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。 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杂化轨道形成的键，是以sp2.28杂化轨道形成的键。单键键长为0.145 nm。B、C60的键垂直于球面，含有10的s成分，90的p成分，即为s0.1p0.9。双键键长为0.14 nm。C、C60中两个键间的夹角为106o，键和键的夹角为101.64o。D、由于C60的共轭键是非平面的，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。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。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。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、试推导久保公式：相邻电子能级间距和金属纳米粒子的直径d的关系 设金属颗粒体积V减小，电子密度n=N/V不变，m为电子质量，利用自由电子气模型，费米能量EF, 只要电子密度恒定，不论颗粒大小， EF不变。 态密度(density of state): 即单位能量的状态数 N(E), 对于能量低于E的状态数有 状态密度为在EF处的状态密度为在EF处，能级间距，一个能级有两个自旋态即所以对比宏观固体VN1024, 趋于无穷，-0 。当粒子为球形时，3、电子能态密度从3维到0维是如何变化的v 随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出现完全分离的能级。（4）.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。（5）、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）（6） 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，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。熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加答：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。B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