納米材料與技術思考題2016.doc

納米材料導論復習題(2016)一、填空： 1.納米尺度是指 2.納米科學是研究納米尺度內原子、分子和其他類型物質的科學3.納米技術是在納米尺度范圍內對原子、分子等進行的技術4.當材料的某一維、二維或三維方向上的尺度達到納米范圍尺寸時，可將此類材料稱為5.一維納米材料中電子在個方向受到約束，僅能在個方向自由運動，即電子在個方向的能量已量子化一維納米材料是在納米碳管發(fā)現后才得到廣泛關注的，又稱為6.1997年以前關于au、cu、pd納米晶樣品的彈性模量值明顯偏低，其主要原因是7.納米材料熱力學上的不穩(wěn)定性表現在和兩個方面8.納米材料具有高比例的內界面，包括、等9.根據原料的不同，溶膠-凝膠法可分為： 10.隧穿過程發(fā)生的條件為.11.磁性液體由三部分組成： 、 和 12.隨著半導體粒子尺寸的減小，其帶隙增加，相應的吸收光譜和熒光光譜將向方向移動，即 13.光致發(fā)光指在照射下被激發(fā)到高能級激發(fā)態(tài)的電子重新躍入低能級被空穴捕獲而發(fā)光的微觀過程僅在激發(fā)過程中發(fā)射的光為在激發(fā)停止后還繼續(xù)發(fā)射一定時間的光為14.根據碳納米管中碳六邊形沿軸向的不同取向，可將其分成三種結構：、和15.stm成像的兩種模式是和. 二、簡答題：（每題5分，總共45分）1、簡述納米材料科技的研究方法有哪些？2、納米材料的分類？3、納米顆粒與微細顆粒及原子團簇的區(qū)別？4、簡述pvd制粉原理5、納米材料的電導（電阻）有什么不同于粗晶材料電導的特點？6、請分別從能帶變化和晶體結構來說明藍移現象7、在化妝品中加入納米微粒能起到防曬作用的基本原理是什么？8、解釋納米材料熔點降低現象9、afm針尖狀況對圖像有何影響？畫簡圖說明1. 納米科學技術(nano-st):20世紀80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬分之一米107)到十億分之一米(109米)內，原子、分子和其它類型物質的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內對原子、分子等進行操縱和加工的技術，又稱為納米技術2、什么是納米材料、納米結構？答：納米材料： 把組成相或晶粒結構的尺寸控制在100納米以下的具有特殊功能的材料稱為納米材料，即三維空間中至少有一維尺寸小于100nm的材料或由它們作為基本單元構成的具有特殊功能的材料，大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類；納米材料有兩層含義：其一，至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構成整體材料的結構單元的尺度小于100nm，如納米晶合金中的晶粒;其二，尺度效應：即當尺度減小到納米范圍，材料某種性質發(fā)生神奇的突變，具有不同于常規(guī)材料的、優(yōu)異的特性量子尺寸效應。納米結構：以納米尺度的物質為單元按一定規(guī)律組成的一種體系3、什么是納米科技？答：納米科技是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內，原子、分子和其它類型物質的運動和變化的學問；同時在這一尺度范圍內對原子、分子進行操縱和加工4、什么是納米技術的科學意義？答：納米尺度下的物質世界及其特性，是人類較為陌生的領域，也是一片新的研究疆土在宏觀和微觀的理論充分完善之后，再介觀尺度上有許多新現象、新規(guī)律有待發(fā)現，這也是新技術發(fā)展的源頭；納米科技是多學科交叉融合性質的集中體現，我們已不能將納米科技歸為任何一門傳統(tǒng)的學科領域而現代科技的發(fā)展幾乎都是在交叉和邊緣領域取得創(chuàng)新性的突破的，在這一尺度下，充滿了原始創(chuàng)新的機會因此，對于還比較陌生的納米世界中尚待解釋的科學問題，科學家有著極大的好奇心和探索欲望5、納米材料有哪4種維度？舉例說明答：零維：團簇、量子點、納米粒子一維：納米線、量子線、納米管、納米棒二維：納米帶、二維電子器件、超薄膜、多層膜、晶體格三維：納米塊體6、請敘述什么是小尺寸效應、表面效應、量子效應和宏觀量子隧道效應、庫侖堵塞效應答：小尺寸效應：當顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現新的物理性質的變化稱為小尺寸效應表面效應：球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比隨著顆粒直徑的變小，比表面積將會顯著地增加，顆粒表面原子數相對增多，從而使這些表面原子具有很高的活性且極不穩(wěn)定，致使顆粒表現出不一樣的特性，這就是表面效應量子尺寸效應：當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態(tài)的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化的效應宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。 庫侖堵塞效應：前一個電子對后一個電子的庫倫排斥，小體系單電子運輸行為7、隨著顆粒直徑的減小，材料的熔點有什么改變？材料的熱穩(wěn)定性有什么改變？答：熔點下降，由于顆粒小，納米微粒的表面能高，表面原子數多，這些表面原子臨近配位不全，活性大，納米例子熔化時，所需增加的內能小，這就使得納米微粒熔點急劇下降熱穩(wěn)定性變差，微粒半徑越小，熱穩(wěn)定性越差8巨磁電阻效應：1988年，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應命名為巨磁電阻效應9“自上而下”(topdown)：是指通過微加工或固態(tài)技術,不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產品微型化10 “自下而上”(bottom up)：是指以原子分子為基本單元,根據人們的意愿進行設計和組裝,從而構筑成具有特定功能的產品，這種技術路線將減少對原材料的需求,降低環(huán)境污染11量子器件:利用量子效應而工作的電子器件稱為量子器件12納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別：第一、這種材料至少有一個方向是在納米的數量級上比如說納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內第二、由于量子效應、界面效應、表面效應等，使材料在物理和化學上表現出奇異現象13納米技術與微電子技術的主要區(qū)別是：納米技術研究的是以控制單個原子、分子來實現設備特定的功能，是利用電子的波動性來工作的；而微電子技術則主要通過控制電子群體來實現其功能，是利用電子的粒子性來工作的，人們研究和開發(fā)納米技術的目的，就是要實現對整個微觀世界的有效控制14. 納米材料有哪些危害性？答：納米技術對生物的危害性：1）在常態(tài)下對動植物體友好的金，在納米態(tài)下則有劇毒；2）小于100nm的物質進入動物體內后，會在大腦和中樞神經富集，從而影響動物的正常生存；3）納米微?？梢源┻^人體皮膚，直接破壞人體的組織及血液循環(huán)納米技術對環(huán)境的危害性：美國研究人員證明，足球烯分子會限制土壤細菌的生長，而巴基球則對魚類有毒，這說明納米技術對生態(tài)平衡和生態(tài)安全都有一定的破壞性15、激子的定義是什么？答：在光躍遷過程中，被激發(fā)到導帶中的電子和在價帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個束縛態(tài)，稱為激子通?？煞譃槿f尼爾（wannier）激子和弗倫克爾（frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間范圍，庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導體中；后者電子和空穴束縛在體元胞范圍內，庫侖作用較強，這種激子主要是在絕緣體中16、什么是超順磁性？答：磁性材料的磁性隨溫度的變化而變化，當溫度低于居里點時，材料的磁性很難被改變；而當溫度高于居里點時，材料將變成“順磁體”（paramagnetic），其磁性很容易隨周圍的磁場改變而改變如果溫度進一步提高，或者磁性顆粒的粒度很小時，即便在常溫下，磁體的極性也呈現出隨意性，難以保持穩(wěn)定的磁性能，這種現象就是所謂的超順磁效應（superparamagneticeffect）17、名詞解釋：stm、afm、sem、xrf、tem答：stm掃描隧道顯微鏡afm原子力顯微鏡sem掃描電子顯微鏡xrfx射線熒光分析tem透射電子顯微鏡18、簡述stm和afm的工作原理及對納米技術的影響答：stm工作原理：掃描隧道顯微鏡是一種利用量子力學的隧道效應的非光學顯微鏡它主要是利用一根非常細的鎢金屬探針，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，同時，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，針尖隨著物體表面的高低上下移動以維持恒定的電流，依此來觀測物體表面的形貌stm對納米技術的影響：它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率此外掃描隧道顯微鏡在低溫下（4k）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具afm工作原理：afm的關鍵組成部分是一個頭上帶有一個用來掃描樣品表面的尖細探針的微觀懸臂當探針被放置到樣品表面附近的地方時，懸臂會因為受到探針頭和表面的引力而遵從胡克定律彎曲偏移在不同的情況下，這種被afm測量到的力可能是機械接觸力、范德華力、毛吸力、化學鍵、靜電力、磁力（見磁力顯微鏡）喀希米爾效應力、溶劑力等等通常，偏移會由射在微懸臂上的激光束反射至光敏二極管陣列而測量到，較薄之懸臂表面常鍍上反光材質（如鋁）以增強其反射通過惠斯登電橋，探頭的形變何以被測得，不過這種方法沒有激光反射法或干涉法靈敏afm對納米技術的影響：不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，afm提供真正的三維表面圖同時，afm不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織19、名詞解釋cvd、pvd、pld、mbe、pecvd答：cvd化學氣相沉積法pvd物理氣相沉積法pld激光誘導沉積法mbe分子束外延pecvd等離子體增強化學氣相沉積法20、詳細描述納米粒子的一種制備方法和一種應用答：物理方法1）真空冷凝法：用真空蒸發(fā)，加熱，高頻感應等方法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷，其特點純度高，結晶組織好，粒度可控，但技術設備要求高；2）物理粉碎法：通過機械粉碎，電火花爆炸等方法得到納米粒子，其特點操作簡單，成本低，但產品純度低，顆粒分布不均勻；3）機械球磨法：采用球磨方法，控制適當的條件得到純元素納米粒子，合金納米粒子或復合材料的納米粒子，其特點操作簡單,成本低,但產品純度低,顆粒分布不均勻化學方法：1）氣相沉積法：利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料，其特點產品純度高，粒度分布窄；2）沉淀法：把沉淀劑加入到鹽溶液中反應后，將沉淀熱處理得到納米材料其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物；3）水熱合成法：高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得納米粒子，其特點純度高，分散性好，粒度易控制；4）溶膠凝膠法：金屬化合物經溶液，溶膠，凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成納米粒子，其特點反應物種多，產物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和族化合物的制備；5）微乳液法：兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液在微泡中經成核，聚結,團聚,熱處理后得納米粒子，其特點粒子的單分散和界面性好，族半導體納米粒子多用此法制備詳細方法描述：1）惰性氣體冷凝法（igc）制備納米粉體（固體），其主要過程是：在真空蒸發(fā)室內充入低壓惰性氣體（he或ar），將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)，產生原子霧，與惰性氣體原子碰撞而失去能量，凝聚形成納米尺寸的團簇，并在液氮冷棒上聚集起來，將聚集的粉狀顆粒刮下，傳送至真空壓實裝置，在數百mpa至幾gpa壓力下制成直徑為幾毫米，厚度為10mm1mm的圓片2）高能機械球磨法制備納米粉體，它是一個無外部熱能供給的、干的高能球磨過程，是一個由大晶粒變?yōu)樾【Я５倪^程此法可合成單質金屬納米材料，還可通過顆粒間的固相反應直接合成各種化合物（尤其是高熔點納米材料）:大多數金屬碳化物、金屬間化合物、-族半導體、金屬-氧化物復合材料、金屬-硫化物復合材料、氟化物、氮化物3）低能團簇束沉積法（lebcd）制備，納米薄膜該技術也是新近出現的，由paillard等人于1994年初發(fā)展起來首先將所要沉積的材料激發(fā)成原子狀態(tài)，以ar、he氣作為載體使之形成團簇，同時采用電子束使團簇離化，然后利用飛行時間質譜儀進行分離，從而控制一定質量、一定能量的團簇束沉積而形成薄膜此法可有效地控制沉積在襯底上的原子數目21、詳細描述一種薄膜制備的方法答：溶膠凝膠法的機理：1）先將前驅體溶在溶劑中（就如一般的sol-gel法一樣）；2）經過水解縮聚反應變?yōu)槿苣z；3）溶膠再經過陳化變?yōu)闈衲z；4）經過干燥處理變?yōu)楦赡z而對于制備納米薄膜，則將2）步中得到的硅酸鹽凝膠通過噴涂或浸漬法將其涂于基片表面，再經過空氣中水分作用，發(fā)生水解和縮聚產生凝膠薄膜，而后將其干燥處理變得到納米薄膜物理氣相沉積方法制備納米薄膜，此法作為一種常規(guī)的薄膜制備手段被廣泛應用于納米薄膜的制備與研究工作，包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等這一方法主要通過兩種途徑獲得納米薄膜：1）在非晶薄膜晶化的過程中控制納米結構的形成，比如采用共濺射法制備si/sio2薄膜，在700900氮氣氣氛下快速降溫獲得si顆粒；2）在薄膜的成核生長過程中控制納米結構的形成，其中薄膜沉積條件的控制和在濺射過程中，采用高濺射氣壓、低濺射功率顯得特別重要，這樣易于得到納米結構的薄膜22、請舉出一種納米薄膜的應用例子。答：納米薄膜材料有諸多應用例如，作為光的傳感器，金顆粒膜從可見光到紅外線的范圍內，光的吸收效率與波長的依賴性甚小，從而可作為紅外線傳感元件鉻三氧化二鉻顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，可以有效地將太陽能轉變?yōu)闊崮?；硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉變?yōu)殡娔?；氧化錫顆粒膜可制成氣體濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測多種氣體23、磁性液體的定義及特殊性質答：定義：磁性液體又稱磁液、磁流體、磁性流體或鐵磁流體，是由強磁性粒子、基液以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀溶液該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當外加磁場作用時才表現出磁性，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性特殊性質:1）表現為超順磁性，本征矯頑力為0，沒有制磁；2）光通過稀釋的磁性液體時，會產生光的雙折射效應與雙向色效應；3）超聲波在其中傳播時，其速度及衰減與外磁場有關，呈各向異性24、舉例說明：常規(guī)能源、新能源、可再生能源、不可再生能源答：常規(guī)能源：指人類已廣泛使用且開發(fā)利用技術比較成熟的能源，如煤、石油、天然氣、水能和生物能等常規(guī)能源是目前全世界最主要的能源，占全部能源生產消費總量的90以上新能源：指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，即剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能（潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽度差能）、生物質能和核聚變能等可再生能源：泛指多種取之不竭的能源，嚴謹來說，是人類歷史時期內都不會耗盡的能源，但可再生能源不包含現時有限的能源如太陽能、地熱能、水能、風能、生物能、潮汐能不可再生能源：指人類開發(fā)利用后，在現階段不可能再生的能源資源，叫“不可再生能源”如煤、石油、天然氣、核能、油頁巖25、graphene（石墨烯）的顯著特征是什么？答：1）具有比硅高得多的載流子遷移率，在室溫下有微米級的平均自由程和很長的相干長度，是納米電路的理想材料；2）電子運輸特性表現出了異常的整數量子霍爾效應；3）石墨烯結構非常穩(wěn)定，迄今為止研究者仍未發(fā)現石墨烯中有碳原子缺失的情況；4）盡管只有單層原子厚度，但石墨烯具有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光；5）石墨烯比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上倍26、什么是納米管、量子點？答：納米管：納米管是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管兩端基本上都封口）的一維量子材料納米管的硬度要比鋼材堅硬100倍它可以耐受6500f（3593）的高溫，并且具有卓越的導熱性能納米管既可以用作金屬導電體，比金的電高多得多，也可以用作制造電腦芯片所必須的半導體納米管在極低的溫度下還具有超導性量子點：量子點是準零維的納米材料，由少量的原子所構成粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100納米以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應特別顯著由于量子局限效應會導致類似原子的不連續(xù)電子能階結構，因此量子點又被稱為“人造原子”27、解釋：swnts、mwnts答：swnts單壁碳納米管mwnts多壁碳納米管各章具體要求第一章1、了解納米技術提出的背景及發(fā)展過程背景：1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產生了積極促進作用；發(fā)展過程：1987年，bell實驗室的科學家發(fā)明了一種靠單電子作為電流開頭的晶體管世界上第一個單電子晶體管誕生1988年，dupont公司的科研人員w.degrado等無意中設計出一種新的蛋白質，世界上第一個人為設計的蛋白質誕生了1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生；1993年，第一個致力于納米技術研究的實驗室在美國rice大學誕生1999年，美國耶魯大學的科學家創(chuàng)造了單分子有機開關2000年，美國政府啟動了“國家納米行動計劃(nni)，nni的提出統(tǒng)一了對納米技術的展望，并使這種展望得到普遍的接受自此，全球掀起了納米科技研究的熱潮2、什么是納米世界的“眼”和“手”掃描隧道顯微鏡（stm）和原子力顯微鏡（afm）3、與納米技術相關的諾貝爾獎有幾個？1986年：魯斯卡（德國）設計第一臺透射電子顯微鏡；比尼格（德國）、羅雷爾（瑞士）設計第一臺掃描隧道電子顯微鏡2010年：英國曼徹斯特大學科學家安德烈蓋姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫因在二維空間材料石墨烯的突破性實驗獲獎4、世界上第一個單電子晶體管何年誕生？（1987）5、世界上第一個人為設計的蛋白質何年誕生？（1988）6、第一屆國際納米科技會議何年在哪召開？1990年7月，美國巴爾的摩7、世界上第一個致力于納米技術的實驗室何年在哪誕生？1993年美國rice大學8、首屆納米材料會議在哪召開？1993年，第一屆國際納米技術大會(intc)在美國召開9、團簇：原子團簇是指幾個至幾百個原子的聚集體(粒徑小于或等于1 nm)10、納米微粒：是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉量子點：是指載流子僅在一個方向上可以自由運動，而在另外兩個方向上則受到約束也叫一維量子線11、量子線：是指載流子在三個方向上的運動都要受到約束的材料體系，即電子在三個維度上的能量都是量子化的也叫零維量子點12、量子阱：是指載流子在兩個方向（如在x,y平面內）上可以自由運動，而在另外一個方向（z）則受到約束，即材料在這個方向上的特征尺寸與電子的德布羅意波長或電子的平均自由程相比擬或更小有時也稱為二維超晶格13、人造原子：人造原子是由一定數量的實際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm14、人造原子與真正原子的相似和不同之處：1）人造原子含有一定數量的真正原子；2）形狀和對稱性多種多樣（形貌），真正原子可用球形或立方形描述3）電子間強交互作用比實際原子復雜得多（多電子交互作用）4）實際原子中電子受原子核吸引作軌道運動，而人造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中，具有向勢阱底部下落的趨勢15、富勒烯的結構、特性：a、六元環(huán)的每個碳原子均以雙鍵與其他碳原子結合，形成類似苯環(huán)的結構，它的鍵不同于石墨中sp2雜化軌道形成的鍵，也不同于金剛石中sp3雜化軌道形成的鍵，是以sp2.28雜化軌道形成的鍵單鍵鍵長為0.145nmb、c60的鍵垂直于球面，含有10的s成分，90的p成分，即為s0.1p0.9，雙鍵鍵長為0.14nmc、c60中兩個鍵間的夾角為106o，鍵和鍵的夾角為101.64od、由于c60的共軛鍵是非平面的，環(huán)電流較小，芳香性也較差，但顯示不飽和雙鍵的性質，易于發(fā)生加成、氧化等反應，現已合成了大量的c60衍生物16、富勒烯的應用：1).c60分子本身不導電，它可能成為繼si、ge、gaas之后的又一種新型半導體材料2).c60和c70是一種良好的非線性光學材料3).合成金剛石的理想原料4.富勒烯的氫化物由于含有大量的氫且性質穩(wěn)定，有可能作為儲氫材料或高能燃料c60f60（特氟隆球）是一種超級耐高溫和耐磨材料，被認為是比c60更好的潤滑劑5).c60分子間在一定條件下還可以相互結合成聚合物，形成新的分子團簇6).在生理醫(yī)學方面，還可利用c60內部中空來包裹放射性元素，用于治療癌癥，以減輕放射性物質對健康組織的損害17、碳納米管的結構：多壁碳納米管一般由幾個到幾十個單壁碳納米管同軸構成管間距為0.34nm左右，這相當于石墨的面間距碳納米管的直徑為零點幾納米至幾十納米，長度一般為幾十納米至微米級每個單壁管側面由碳原子六邊形組成，兩端由碳原子的五邊形封頂碳納米管的分類：根據管壁可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管存在三種類型的結構：分別稱為單臂納米管、鋸齒形納米管和手性形納米管18、碳納米管的性質和應用：1.性能（1）電磁性能：碳納米管具有螺旋、管狀結構，預示其具有不同尋常的電磁性能由于直徑和螺旋性不同，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導體性的，因而不必摻雜就可以制成一維半導體-金屬器件；（2）力學性能：具有低密度、高彈性模量、高強度；（3）熱學性能：高的熱傳導率；（4）吸附性能：具有很強的毛細吸引力2應用（1）場發(fā)射(2)修飾電極(3)分子電子器件(4)導電或抗靜電塑料（5）探針顯微鏡(spm)針尖(6)復合增強材料（7）儲氣（8）催化劑載體（9）作為模板合成其它納米管第二章1.體積效應：納米粒子體積極小，所包含的原子數很少許多現象不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，這種特殊的現象通常稱之為體積效應2.表面效應：納米粒子的表面原子所處的位場環(huán)境及結合能與內部原子有所不同存在許多懸空鍵，配位嚴重不足，具有不飽和性質，因而極易與其它原子結合而趨于穩(wěn)定3.量子尺寸效應：由尺寸減小，超微顆粒的能級間距變?yōu)榉至⒛芗?，如果熱能，電場能或磁場能比平均的能級間距還小時，超微顆粒就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應4.小尺寸效應：當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常的現象-小尺寸效應(1)久保理論的兩個假設是什么?a簡并液體費米假設久保把超微粒子靠近費米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡并電子期，并進一步假設他們的能級為準粒子態(tài)的不連續(xù)能級；b超微粒子電中性假設：對于一個超微粒子取走或放入一個電子都是十分困難的2 、3、表（界）面效應的主要影響：1). 表面化學反應活性(可參與反應)2).催化活性3).納米材料的（不）穩(wěn)定性4).鐵磁質的居里溫度降低5).熔點降低6).燒結溫度降低7).晶化溫度降低8).納米材料的超塑性和超延展性9).介電材料的高介電常數（界面極化）10).吸收光譜的紅移現象4、小尺寸效應的主要影響：1).金屬納米相材料的電阻增大與臨界尺寸現象（電子平均自由程）動量2).寬頻帶強吸收性質（光波波長）3).激子增強吸收現象（激子半徑）4).磁有序態(tài)向磁無序態(tài)的轉變（超順磁性）（各向異性能）5).超導相向正常相的轉變（超導相干長度）5、納米微粒表現出與宏觀塊體材料不同的的微觀特性和宏觀性質a導電的金屬在制成超微粒子時就可以變成半導體或絕緣體絕緣體氧化物相反b磁化率的大小與顆粒中電子是奇數還是偶數有關c比熱亦會發(fā)生反常變化，與顆粒中電子是奇數還是偶數有關d光譜線會產生向短波長方向的移動e催化活性與原子數目有奇數的聯系，多一個原子活性高，少一個原子活性很低第三章，第四章1 、與常規(guī)材料相比，納米微粒的熔點、燒結溫度和比熱發(fā)生什么變化，并分別解釋原因。熔點和開始燒結溫度比常規(guī)粉體的低得多，比熱容增加答：熔點和開始燒結溫度比常規(guī)粉體的低得多，比熱容增加a熔點下降的原因：由于顆粒小，納米微粒的表面能高、表面原子數多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大(為原子運動提供動力)，納米粒子熔化時所需增加的內能小，這就使得納米微粒熔點急劇下降b燒結溫度降低原因：納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結過程中高的界面能成為原子運動的驅動力，有利于界面附近的原子擴散，有利于界面中的孔洞收縮，空位團的埋沒因此，在較低的溫度下燒結就能達到致密化的目的，即燒結溫度降低c比熱容增加：納米結構材料的界面結構原子雜亂分布，晶界體積百分數大（比常規(guī)塊體），因而納米材料熵對比熱的貢獻比常規(guī)材料高很多需要更多的能量來給表面原子的振動或組態(tài)混亂提供背景，使溫度上升趨勢減慢2、試解釋磁性納米顆粒尺寸小到一定臨界值時出現超順磁性的原因超順磁狀態(tài)的起源可歸為以下原因：a當顆粒尺寸小于單疇臨界尺寸，隨尺寸減小，磁各向異性能(磁疇方向)減小到與熱運動能可相比擬，在熱擾動作用下，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結果導致超順磁性的出現b不同種類的納米磁性微粒顯現超順磁性的臨界尺寸是不相同的3、試述納米微粒的光學吸收帶發(fā)生藍移和紅移的原因a.納米微粒吸收帶“藍移”的解釋有兩個方面：1).量子尺寸效應由于顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導致光吸收帶移向短波方向, ball等對這種藍移現象給出了普適性的解釋：已被電子占據分子軌道能級與未被占據分子軌道能級之間的寬度(能隙)隨顆粒直徑減小而增大，這是產生藍移的根本原因，這種解釋對半導體和絕緣體都適用2).表面效應由于納米微粒顆粒小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數變小對納米氧化物和氮化物微粒研究表明：第一近鄰和第二近鄰的距離變短,鍵長的縮短導致納米微粒的鍵本征振動頻率增大，結果使紅外光吸收帶移向了高波數 b吸收光譜的紅移現象的原因1).電子限域在小體積中運動；量子限域效應2).粒徑減小，內應力（p=2g/r, r為半徑，g為表面能）增加，這種內應力的增加會導致能帶結構的變化，電子波函數重疊加大，結果帶隙、能級間距變窄，這就導致電子由低能級向高能級及半導體電子由價帶到導帶躍遷引起的光吸收帶和吸收邊發(fā)生紅移；3).能級中存在附加能級，如缺陷能級，使電子躍遷能級間距減小；4).外加壓力使能隙減?。?).空位、雜質的存在使平均原子間距r增大，導致能級間距變小鍵長的變長光吸收帶的位置是由影響蜂位的藍移因素和紅移因素共同作用的結果，如果前者的影響大于后者，吸收帶藍移，反之，紅移4、試述納米材料的光致發(fā)光不同于常規(guī)材料的原因1）由于顆粒很小，出現量子限域效應，界面結構的無序性使激子、特別是表面激子很容易形成，因此容易產生激子發(fā)光帶；2）界面體積大，存在大量的缺陷，從而使能隙中產生許多附加能級；3）平移周期被破壞，在k空間常規(guī)材料中電子躍遷的選擇定則可能不適用晶體場不對稱4）雜質能級-雜質發(fā)光帶處于較低能量位置，發(fā)光帶比較寬5、試述半導體催化劑的微粒尺寸減小，其光催化效率提高的原因a能隙變寬(1)當半導體粒子的粒徑小于某一臨界值(一般約為10nm)時，量子尺寸效應變得顯著，電荷載體就會顯示出量子行為，主要表現在導帶和價帶變成分立能級，能隙變寬，價帶電位變得更正，導帶電位變得更負，這實際上增加了光生電子和空穴的氧化還原能力，提高了半導體光催化氧化有機物的活性(2)量子尺寸效應b電子空穴分離效率高(1)半導體納米粒子粒徑通常小于空間電荷層的厚度，在離開粒子中心的l距離處的勢壘高度為：(2)ld是半導體的德拜長度，空間電荷層的任何影響都可以忽略(3)光生載流子(電子、空穴）通過簡單的擴散從粒子的內部遷移到粒子的表面與電子給體或受體發(fā)生氧化或還原反應(4)在光催化劑中電子和空穴的俘獲過程是很快的這意味著半徑越小，光生載流子從體內擴散到表面所需的時間越短，光生電荷分離效果就越高，電子和空穴的復合概率就越小，從而導致光催化活性的提高，提高電子空穴分離效率c吸附能力強納米粒子的尺寸很小，處于表面的原子很多，比表面積很大，吸附有機污染物的能力提高，光催化降解有機污染物的能力提高。研究表明，在光催化體系中，反應物吸附在催化劑表面上是光催化反應的一個前置步驟，納米半導體粒子強的吸附效應甚至允許光生載流子優(yōu)先與吸附的物質反應，而不管溶液中其他物質的氧化還原電位的順序6、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的工作原理透射電子顯微鏡：從加熱到高溫的鎢絲發(fā)射電子，在高電壓作用下以極快的速度射出，聚光鏡將電子聚成很細的電子束，射在試樣上；電子束透過試樣后進入物鏡，由物鏡、中間鏡成像在投影鏡的物平面上，這是中間像；然后再由投影鏡將中間像放大，投影到熒光屏上，形成最終像掃描電子顯微鏡：入射電子與樣品之間相互作用激發(fā)出二次電子二次電子收集極將向各方向發(fā)射的二次電子匯集起來，再經加速極加速射到閃爍體上轉變成光信號經過光導管到達光電倍增管，使光倍號再轉變成電信號經視頻放大器放大后輸出送至顯像管，調制顯