《纳米材料与纳米结构》课程复习题

《纳米材料与纳米结构》课程复习题

1.纳米颗粒有哪些基本的效应？

久保理论;尺寸效应;表面与界面效应;体积效应;量子尺寸效应;宏观量子隧道效应

2.什么是超顺磁性？讨论产生超顺磁性的原因。

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，这种现象被就是所谓超顺磁效应。

超顺磁状态的起源可归为以下原因：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向做无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的

3.用机械法来制备纳米颗粒有什么优点和缺点？

优点：过程简单，大规模生产容易，花费少，不污染环境，没有后续过程的问题

缺点：能源消耗高，难以控制粒子形貌，夹有杂质

4.纳米颗粒材料与相同块体材料的光学性质有何差异？

纳米固体的光吸收具有常规粗晶不具备的一些新特点。

金属纳米固体等离子共振吸收峰变得很弱，甚至消失。

半导体纳米固体中粒子半径小于或等于激子玻尔半径时，会出现激子（Wannier激子）光吸收带（例如，粒径为4.5 nm的CdSexS 1-x，在波长约450 nm处呈现一光吸收带）。

相对常规粗晶材料，纳米固体的光吸收带往往会出现蓝移或红移。

例如，纳米NiO块体的4个光吸收带（3.30，2.99，2.78，2.25 eV）发生蓝移，三个光吸收带（1.92，1.72，1.03 eV）发生红移，与纳米粉体相类似。

纳米结构材料由于颗粒很小，这样由于小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使激子，特别是表面激子很容易形成；界面所占的体积很大，界面中存在大量缺陷，例如悬键，不饱和键和杂质等，这就可能在能隙中产生许多附加能隙；纳米结构材料中由于平移周期的破坏，在动量空间（k空间）常规材料中电子跃迁的选择定则对纳米材料很可能不适用，这些就会导致纳米结构材料的发光不同于常规材料，有自己新的特点。

5.给出采用透射电镜(TEM)观测纳米颗粒粒度的优缺点。

优点：图像为立体形象，反映了标本的表面结构。

缺点：电镜观察法得到的一次粒度分析结果一般很难代表实际样品颗粒的分布状态。

对一些在强电子束轰击下不稳定甚至分解的纳米颗粒以及制样困难的生物和微乳等样品则很难得到准确的结果。

电镜观察法一次粒度检测结果通常作为其他分析方法结果的比照。

6.简述纳米二氧化钛的光催化原理。

光的照射下，价带电子越迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，羟基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了对有机物的降解。

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。

7.表述可使纳米颗粒聚团进行有效分散的方法。

加入反絮凝剂形成双电层－反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电类型等来定；

加入表（界）面活性剂包裹微粒－由于活性剂的存在使分子产生斥力，使得粒子间不能接触（如磁性颗粒）。

8.给出溶胶－凝胶法制备纳米颗粒物料的步骤。

溶胶的制备：

有两种方法制备溶胶，一是先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒。因这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶。

另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到胶体溶胶。

溶胶－凝胶转化：

一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度；

二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。

凝胶干燥：

一定条件下（如加热）使溶剂蒸发，得到粉料，干燥过程中凝胶结构变化很大。

9.讨论影响纳米磁性液体的稳定性及性能的主要因素。

pH值、Fe2+/Fe3+浓度、反应温度、反应时间、分散剂均对纳米Fe3O4颗粒的性能有显著影响，在制备过程中必须严格地加以控制才能得到具有良好磁性能和合适粒径的纳米Fe3O4颗粒。稀土离子掺杂对Fe3O4颗粒磁性能的影响。

10.描述制备纳米晶材料机械合金化方法的特点。

高能球磨法是利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击，研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以上金属粉末同时放人球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程（冷焊－粉碎－冷焊的反复进行），最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。由于这种方法

是利用机械能达到合金化而不是用热能或电能，所以把高能球磨制备合金粉末的方法称做为机械合金化（Mechanical alloying，简写成MA）。

可制备：纳米晶纯金属；互不相溶体系的固溶体；纳米金属间化合物；纳米金属－陶瓷粉复合材料

11.纳米材料熔点降低的原因是什么？

纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多。由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小的多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

12.可以采用何种方法来测量纳米晶材料的晶粒尺寸？

1. 电镜观察法

2. 激光粒度分析法

3. 沉降法粒度分析

4. 电超声粒度分析法

5. 比表面积分析法

13.解释纳米颗粒的光吸收带出现“蓝移”现象的原因。

一是量子尺寸效应，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等从分子结构的角度对这种蓝移现象给出了解释：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。

另一种是表面效应。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。

14.给出纳米薄膜的类型和制备方法。

液相法：溶胶－凝胶法；电沉积法

气相法：高速超微粒子沉积法（气体沉积法）；直接沉积法

15.给出高温水解法制备纳米颗粒的几种类型。