2014 纳米技术复习题

1、什么是纳米科学技术？

定义：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(10–9m)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、纳米材料的定义？按照结构维度划分，纳米材料可以分为哪几类？

纳米材料(Nanomaterials)的定义:

把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围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在1-100纳米范围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。

按结构维度( the number of dimensions）分为5类：

(1)零维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状

物质。

(2)一维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。

(3)二维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。

(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。

(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)

3、制造纳米产品的技术路线有哪些？

制造纳米产品的技术路线可分为两种：

―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。

特点：尺寸从大到小

―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、纳米结构，纳米组装体系，纳米结构人工组装体系，纳米结构自组装体系。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。

纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管及纳米尺寸的孔洞为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类:

一是人工纳米结构组装体系；

二是纳米结构自组装体系。

人工纳米结构组装体系是按人类的意志，利用物理和化学的方法人工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。

纳米结构的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、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。

5、合成纳米碳管的常有方法有哪些？

电弧放电法，激光烧蚀法，化学气相沉淀法，催化电弧法

6、单壁碳管按结构可以分为哪几类？

扶手椅型、锯齿型、螺旋型

7、何谓准一维纳米材料？

准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大很多，甚至为宏观量(如毫米级、厘米级等)的纳米材料。

根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。

8. 纳米材料的基本效应:

表面效应:是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。

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(HOMO)和最低未被占据的分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽现象，称为量子尺寸效应。

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。

库仑堵塞效应:通常把小体系这种单电子运输行为，称为库仑堵塞效应。

量子隧道效应: 电子由一个粒子跃到另一个小导体的行为

宏观量子效应:为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应。

9.纳米颗粒熔点下降的原因是什么？

由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平均配位数降低，这些表面原子近邻配位不全，具有更高的能量，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。

10.纳米结构材料高的介电常数的原因是什么？

(1)界面极化(空间电荷极化)

纳米固体界面中存在大量悬挂键、空位以及空洞等缺陷，在电场作用下，正负间隙电荷分别向负正极移动，电荷运动结果聚积在界面的缺陷处，在界面两侧形成了电偶极矩，即界面电荷极化。

同时，纳米粒子内部存在晶格畸变及空位等缺陷，可能产生界面极化。

界面极化对介电贡献比常规粗晶材料大，这就导致纳米固体具有高的介电常数。

(2)转向极化

纳米氧化物如 -Al2O3除了共价键外，还存在大量离子键(63%)，因此，在原子排列较混乱的庞大界面中及具有较大晶格畸变和空位等缺陷的纳米粒子内部会存在相当数量的氧离子空位。

这些空位带正电荷。与带负电荷的氧形成固有电矩，在外电场作用下，它们改变方向形成转向极化(出现介电峰)。

转向极化是纳米材料的较高介电常数的重要因素之一。

(3)松弛极化

它包括电子松弛极化(弱束缚电子在外场作用下从一个阳离子结点向另一个阳离子结点转移产生的)和离子松弛极化(弱束缚离子在外场作用下从一个平衡位置向另一个平衡位置转移产生的)。它们对纳米材料介电常数起作用。

纳米材料的极化通常有几种机制同时起作用，特别是界面极化(空间电荷极化)、转向极化和松弛极化(电子或离子的场致位移)，它们对介电常数的贡献比常规材料高得多，因此呈现出高介电常数。

11.为什么纳米材料出现红外吸收谱宽化现象？

纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因：

1）尺寸分布效应：晶格畸变

?纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。

?这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙也有一个分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。

2）界面效应：

?界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。

12.什么是蓝移？蓝移的原因是什么？

蓝移即吸收带移向短波长方向

原因:1. 量子尺寸效应,由于颗粒尺寸能隙变宽,导致光吸收带移向短波长方向.

2. 表面效应,由于纳米颗粒小,大的表面张力使晶粒畸变,晶格常数变小

13.光催化的基本原理是什么？纳米颗粒光催化效率显著提高的原因是什么？

光催化的基本原理是：当半导体氧化物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，产生了电子—空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH反应生成氧化性很高的OH 自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。

14.根据制备状态的不同，纳米微粒的制备方法可分为哪几类？

气相法、固相法、液相法

气相法制备纳米微粒常用的加热源有哪些？

1）电阻加热；

2）高频感应加热；

3）激光加热；

4）电子束加热；

5）微波加热；

6）电弧加热。

15.如何用气体冷凝法制备纳米微粒？其优缺点有哪些？

气体冷凝法是在低压的氦、氩等惰性气体中加热金属、合金或陶瓷使其蒸发气化，然后与惰性气体碰撞冷凝形成超微粒(1—1000 nm)或纳米微粒(1—100 nm)的方法。

气体冷凝法优点：

1）设备相对简单，易于操作。

2）纳米颗粒表面清洁,

3）粒度齐整，粒度分布窄，

4）粒度容易控制。

缺点：

难以获得高熔点的纳米微粒。

主要用于Ag、Al、Cu、Au等低熔点金属纳米粒子的合成。

16.等离子体电弧法制备纳米颗粒的工作原理是什么？其优缺点有哪些？

电流场作用下，电流密度很大，气体近完全电离，成为电弧等离子体，温度很高，使材料气化。

1）等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微粒。

2）金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质的纳米粒子，为纯粹的物理过程；

而金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物的制备，一般需经过金属蒸发→化学反应→急冷，最后形成金属化合物纳米粒子。

缺点：等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质本身吹飞，这是工业中应解决的技术难点。

17.化学气象沉积CVD法制备纳米材料的基本原理是什么？根据反应类型可分为哪些具体类型？各有什么特点？

化学气相沉积定义CVD：Chemical Vapour Deposition

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。

分类：根据反应类型不同分为热解化学气相沉积、化学合成气相沉积、化学输运反应

1）热解化学气相沉积是指一般在简单的单温区炉中，于真空或惰性气氛下加热衬底至所需温度后，导入反应气体使之发生热分解，最后在衬底上沉积出纳米材料。

2）化学合成气相沉积法通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化学产物，冷凝而制备各类物质的微粒。

3）化学输运反应把所需要的物质当做源物质，借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带(用载气)输运到与源区温度不同的沉淀区，再发生逆向反应，使得源物质重新沉淀出来，这样的过程称为化学输运反应。上述气体介质叫做输运剂。

18.沉淀法制备纳米微粒的原理是什么？沉淀法可分为哪几类？简述各类沉淀法的原理。

沉淀法(precipitation method)是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH--，CO3，C2O42-等)后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子除去，可直接或经热分解得到所需化合物纳米粒子的方法。

分类：沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法、直接沉淀法、金属醇盐水解法等。

1)共沉淀法：含多种(两种或两种以上)阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法制备纳米微粒的方法称共沉淀法。

(2)均相沉淀法：一般的沉淀过程是不平衡的，均相沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀的释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，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地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。

(3) 直接沉淀法：

直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法。原理：在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。

(4) 金属醇盐水解法：是利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解反应，生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性来制备超细粉末的一种方法。

19.喷雾法的原理是什么？其基本过程是什么?

喷雾法是指溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。

它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。

20、水热法制备纳米材料的特点是什么？优缺点有哪些？按照水热反应的类型不同，有哪些分类？

水热技术具有以下特点：

1）、其温度相对较低。对比气相法

2）、在封闭容器中进行，避免了组分的挥发。

3）、体系一般处于非理想、非平衡状态。

4）、溶剂处于接近临界、临界或超临界状态。

优点：

(1) 水热可直接得到分散且结晶良好的微粒

(2) 该法生产的粉体有较低的表面能

缺点：

1）一般只能制备氧化物粉体

2）水热法需要高温高压步骤

21. 溶胶-凝胶法制备纳米材料的原理是什么？优缺点有哪些？简述其化学过程。

溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。主要用来制备薄膜和粉体材料。溶胶－凝胶法制备纳米粒子的基本原理：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，最后得到无机纳米材料(氧化物和其它固体化合物)。

溶胶—凝胶法制备纳米微粒的优缺点如下：

(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。

溶胶-凝胶法的化学过程是首先将原料分散在溶液中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定结构的凝胶，最后经过干燥和热处理得纳米粒子，即经由分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态(或非晶态)的过程。

22. 溶胶、凝胶和沉淀的区别在哪里？

溶胶、凝胶和沉淀的区别

?溶胶（Sol）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。

?凝胶（Gel）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散介质。

?沉淀物（precipitate）由孤立粒子聚集体组成。

23. 简述高能球磨制备纳米微粒的步骤及该方法优缺点。

工艺过程有以下几个步骤组成：

1）根据所制产品的元素组成，将由两种或多种单质或合金粉末组成初始粉末。

2）选择球磨介质，根据所制产品的性质，在钢球、刚玉球或其他材质的球中选择一种组成球磨介质。

3）把初始粉末和球磨介质一起按一定的比例放入球磨机中球磨。

高能球磨法制备纳米微粒的优点：

产量高；

工艺简单；

能制备出用常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料。

缺点：

晶粒尺寸不均匀；

易引入某些杂质。

24. 显微镜法测量颗粒粒径的优缺点有哪些？沉降法测量颗粒粒径的优缺点有哪些？

显微镜法优缺点：

优点

?可直接观察粒子形状

?可直接观察粒子团聚

缺点

?代表性差

?重复性差

?测量投影面积直径

?速度慢

沉降法优缺点：

优点

?测量重量分布

?代表性强

?经典理论, 不同厂家仪器结果对比性好

?价格比激光衍射法便宜

缺点

?对于小粒子测试速度慢, 重复性差

?非球型粒子误差大

?不适应于混合物料

?动态范围比激光衍射法窄

25. 扫描隧道显微镜STM针尖的扫描方式有哪些？各有什么特点？

A恒流模式，速度慢；B恒高模式，成像速度快

26.原子力显微镜AFM的基本原理是什么？

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--10-6N)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△F=-kΔx，k为微悬臂的力常数)。

也就是说，微悬臂的形变是对样品－针尖相互作用的直接测量。

27.AFM的工作模式有哪些？各有什么特点？

工作模式:接触式,非接触式,轻敲式

扫描模式:1恒力模式2 恒高模式