2014 納米技術復習題.doc

1、 什么是納米科學技術？定義：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(109m)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、 納米材料的定義？按照結構維度劃分，納米材料可以分為哪幾類？納米材料(Nanomaterials)的定義:把組成相或晶粒結構的尺寸控制在1-100納米范圍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在1-100納米范圍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。 按結構維度( the number of dimensions）分為5類：(1) 零維材料quasi-zero dimensional三維尺寸為納米級(100 nm)以下的顆粒狀物質。(2) 一維材料線徑為1100 nm的纖維(管)。(3) 二維材料厚度為1 100 nm的薄膜。(4) 體相納米材料(由納米材料組裝而成)。(5) 納米孔材料(孔徑為納米級)3、 制造納米產品的技術路線有哪些？制造納米產品的技術路線可分為兩種： “自上而下” (top down)：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。 如：切割、研磨、蝕刻、光刻印刷等。特點：尺寸從大到小“自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子為基本單元，根據(jù)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。如：化學合成、自組裝、定位組裝等。4、 納米結構，納米組裝體系，納米結構人工組裝體系，納米結構自組裝體系。納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎，按一定規(guī)律構筑或組裝成的一種新的體系，它包括一維、二維、三維體系。納米組裝體系是以納米顆?；蚣{米絲、納米管及納米尺寸的孔洞為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系。 根據(jù)納米結構體系構筑過程中的驅動力是靠外因，還是靠內因來劃分，大致可分為兩類:一是人工納米結構組裝體系；二是納米結構自組裝體系。人工納米結構組裝體系是按人類的意志，利用物理和化學的方法人工將納米尺度的物質單元組裝、排列構成一維、二維和三維的納米結構體系。納米結構的自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構筑成一個納米結構或納米結構的花樣。5、合成納米碳管的常有方法有哪些？電弧放電法，激光燒蝕法，化學氣相沉淀法，催化電弧法6、單壁碳管按結構可以分為哪幾類？扶手椅型、鋸齒型、螺旋型7、何謂準一維納米材料？準一維納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大很多，甚至為宏觀量(如毫米級、厘米級等)的納米材料。根據(jù)具體形狀可以分為：納米棒、納米管、納米線、納米帶、納米螺旋、同軸納米電纜等。8. 納米材料的基本效應:表面效應:是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學性質的變化。量子尺寸效應: 當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(LUMO)，能隙變寬現(xiàn)象，稱為量子尺寸效應。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(xiàn)異常的現(xiàn)象-小尺寸效應。庫侖堵塞效應: 通常把小體系這種單電子運輸行為，稱為庫侖堵塞效應。量子隧道效應: 電子由一個粒子躍到另一個小導體的行為宏觀量子效應: 為了區(qū)別單個電子、質子、中子等微觀粒子的微觀量子現(xiàn)象，把宏觀領域出現(xiàn)的量子效應稱為宏觀量子效應。9. 納米顆粒熔點下降的原因是什么？由于納米顆粒尺寸小，表面原子數(shù)比例提高，表面原子的平均配位數(shù)降低，這些表面原子近鄰配位不全，具有更高的能量，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。10. 納米結構材料高的介電常數(shù)的原因是什么？(1)界面極化(空間電荷極化) 納米固體界面中存在大量懸掛鍵、空位以及空洞等缺陷，在電場作用下，正負間隙電荷分別向負正極移動，電荷運動結果聚積在界面的缺陷處，在界面兩側形成了電偶極矩，即界面電荷極化。同時，納米粒子內部存在晶格畸變及空位等缺陷，可能產生界面極化。界面極化對介電貢獻比常規(guī)粗晶材料大，這就導致納米固體具有高的介電常數(shù)。(2)轉向極化 納米氧化物如a-Al2O3除了共價鍵外，還存在大量離子鍵(63%)，因此，在原子排列較混亂的龐大界面中及具有較大晶格畸變和空位等缺陷的納米粒子內部會存在相當數(shù)量的氧離子空位。這些空位帶正電荷。與帶負電荷的氧形成固有電矩，在外電場作用下，它們改變方向形成轉向極化(出現(xiàn)介電峰)。轉向極化是納米材料的較高介電常數(shù)的重要因素之一。(3)松弛極化 它包括電子松弛極化(弱束縛電子在外場作用下從一個陽離子結點向另一個陽離子結點轉移產生的)和離子松弛極化(弱束縛離子在外場作用下從一個平衡位置向另一個平衡位置轉移產生的)。它們對納米材料介電常數(shù)起作用。納米材料的極化通常有幾種機制同時起作用，特別是界面極化(空間電荷極化)、轉向極化和松弛極化(電子或離子的場致位移)，它們對介電常數(shù)的貢獻比常規(guī)材料高得多，因此呈現(xiàn)出高介電常數(shù)。11. 為什么納米材料出現(xiàn)紅外吸收譜寬化現(xiàn)象？納米材料的紅外吸收譜寬化的主要原因：1）尺寸分布效應：晶格畸變 納米材料的粒徑有一定分布，不同顆粒的表面張力有差異，引起晶格畸變程度也不同。 這就導致納米材料鍵長有一個分布，造成帶隙也有一個分布，這是引起紅外吸收寬化的原因之一。2）界面效應： 界面原子的比例非常高，導致不飽和鍵、懸掛鍵以及缺陷非常多。界面原子除與體相原子能級不同外，互相之間也可能不同，從而導致能級分布的展寬。12. 什么是藍移？藍移的原因是什么？藍移即吸收帶移向短波長方向原因:1. 量子尺寸效應,由于顆粒尺寸能隙變寬,導致光吸收帶移向短波長方向. 2. 表面效應,由于納米顆粒小,大的表面張力使晶?；?晶格常數(shù)變小13. 光催化的基本原理是什么？納米顆粒光催化效率顯著提高的原因是什么？光催化的基本原理是：當半導體氧化物納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導帶，產生了電子空穴對，電子具有還原性，空穴具有氧化性，空穴與氧化物半導體納米粒子表面的OH反應生成氧化性很高的OH自由基，活潑的OH自由基可以把許多難降解的有機物氧化為CO2和水等無機物。14. 根據(jù)制備狀態(tài)的不同，納米微粒的制備方法可分為哪幾類？氣相法、固相法、 液相法氣相法制備納米微粒常用的加熱源有哪些？1）電阻加熱；2）高頻感應加熱；3）激光加熱；4）電子束加熱；5）微波加熱；6） 電弧加熱。15. 如何用氣體冷凝法制備納米微粒？其優(yōu)缺點有哪些？氣體冷凝法是在低壓的氦、氬等惰性氣體中加熱金屬、合金或陶瓷使其蒸發(fā)氣化，然后與惰性氣體碰撞冷凝形成超微粒(11000 nm)或納米微粒(1100 nm)的方法。氣體冷凝法優(yōu)點：1）設備相對簡單，易于操作。2）納米顆粒表面清潔,3）粒度齊整，粒度分布窄，4）粒度容易控制。缺點：難以獲得高熔點的納米微粒。 主要用于Ag、Al、Cu、Au等低熔點金屬納米粒子的合成。16. 等離子體電弧法制備納米顆粒的工作原理是什么？其優(yōu)缺點有哪些？電流場作用下，電流密度很大，氣體近完全電離，成為電弧等離子體，溫度很高，使材料氣化。1）等離子體溫度高，幾乎可以制取任何金屬的微粒。2）金屬或合金可以直接蒸發(fā)、急冷而形成原物質的納米粒子，為純粹的物理過程；而金屬化合物，如氧化物、碳化物、氮化物的制備，一般需經過金屬蒸發(fā)化學反應急冷，最后形成金屬化合物納米粒子。缺點：等離子體噴射的射流容易將金屬熔融物質本身吹飛，這是工業(yè)中應解決的技術難點。17. 化學氣象沉積CVD法制備納米材料的基本原理是什么？根據(jù)反應類型可分為哪些具體類型？各有什么特點？ 化學氣相沉積定義CVD：Chemical Vapour Deposition是指在遠高于臨界反應溫度的條件下，通過化學反應，使反應產物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓，自動凝聚形成大量的晶核，這些晶核不斷長大，聚集成顆粒，隨著氣流進入低溫區(qū)，最終在收集室內得到納米粉體。分類： 根據(jù)反應類型不同分為熱解化學氣相沉積、化學合成氣相沉積、化學輸運反應1）熱解化學氣相沉積是指一般在簡單的單溫區(qū)爐中，于真空或惰性氣氛下加熱襯底至所需溫度后，導入反應氣體使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積出納米材料。2）化學合成氣相沉積法通常是利用兩種以上物質之間的氣相化學反應，在高溫下合成出相應的化學產物，冷凝而制備各類物質的微粒。 3）化學輸運反應把所需要的物質當做源物質，借助于適當?shù)臍怏w介質與之反應而形成一種氣態(tài)化合物，這種氣態(tài)化合物經化學遷移或物理載帶(用載氣)輸運到與源區(qū)溫度不同的沉淀區(qū)，再發(fā)生逆向反應，使得源物質重新沉淀出來，這樣的過程稱為化學輸運反應。上述氣體介質叫做輸運劑。18.沉淀法制備納米微粒的原理是什么？沉淀法可分為哪幾類？簡述各類沉淀法的原理。沉淀法(precipitation method)是指包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液，當加入沉淀劑(如OH-，CO3，C2O42-等)后，或在一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類從溶液中析出，并將溶劑和溶液中原有的陰離子除去，可直接或經熱分解得到所需化合物納米粒子的方法。 分類：沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法、直接沉淀法、金屬醇鹽水解法等。 1)共沉淀法：含多種(兩種或兩種以上)陽離子的溶液中加入沉淀劑后，所有離子完全沉淀的方法制備納米微粒的方法稱共沉淀法。(2)均相沉淀法：一般的沉淀過程是不平衡的，均相沉淀法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢均勻的釋放出來，通過控制溶液中沉淀劑濃度，使溶液中的沉淀處于平衡狀態(tài)，且沉淀能在整個溶液中均勻地出現(xiàn)，這種制備納米粒子的方法稱為均相沉淀法。(3) 直接沉淀法：直接沉淀法是制備超細微粒廣泛采用的一種方法。原理：在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細產物。(4) 金屬醇鹽水解法：是利用一些金屬有機醇鹽能溶于有機溶劑并可能發(fā)生水解反應，生成氫氧化物或氧化物沉淀的特性來制備超細粉末的一種方法。19.噴霧法的原理是什么？其基本過程是什么?噴霧法是指溶液通過各種物理手段進行霧化獲得超微粒子的一種化學與物理相結合的方法。它的基本過程是溶液的制備、噴霧、干燥、收集和熱處理。20、水熱法制備納米材料的特點是什么？優(yōu)缺點有哪些？按照水熱反應的類型不同，有哪些分類？水熱技術具有以下特點：1）、其溫度相對較低。對比氣相法2）、在封閉容器中進行，避免了組分的揮發(fā)。3）、體系一般處于非理想、非平衡狀態(tài)。4）、溶劑處于接近臨界、臨界或超臨界狀態(tài)。優(yōu)點：(1) 水熱可直接得到分散且結晶良好的微粒(2) 該法生產的粉體有較低的表面能缺點：1）一般只能制備氧化物粉體2）水熱法需要高溫高壓步驟21. 溶膠-凝膠法制備納米材料的原理是什么？優(yōu)缺點有哪些？簡述其化學過程。溶膠凝膠法是指金屬有機和無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而形成氧化物或其它化合物納米材料的方法。主要用來制備薄膜和粉體材料。溶膠凝膠法制備納米粒子的基本原理：將金屬醇鹽或無機鹽經水解直接形成溶膠或經解凝形成溶膠，然后使溶質聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機成分，最后得到無機納米材料(氧化物和其它固體化合物)。溶膠凝膠法制備納米微粒的優(yōu)缺點如下：(i)化學均勻性好：由于溶膠凝膠過程中，溶膠由溶液制得，故膠粒內及膠粒間化學成分完全一致。(ii)高純度：粉料(特別是多組份粉料)制備過程中無需機械混合。(iii)顆粒細：膠粒尺寸小于0.1um。(iv)該法可容納不溶性組分或不沉淀組分。不溶性顆粒均勻地分散在含不產生沉淀的組分的溶液，經膠凝化。不溶性組分可自然地固定在凝膠體系中。不溶性組分顆粒越細，體系化學均勻性越好。(v)烘干后的球形凝膠顆粒自身燒結溫度低，但凝膠顆粒之間燒結性差，即體材料燒結性不好。(vi)凝膠干燥時收縮大。溶膠-凝膠法的化學過程是首先將原料分散在溶液中，然后經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定結構的凝膠，最后經過干燥和熱處理得納米粒子，即經由分子態(tài)聚合體溶膠凝膠晶態(tài)(或非晶態(tài))的過程。22. 溶膠、凝膠和沉淀的區(qū)別在哪里？溶膠、凝膠和沉淀的區(qū)別 溶膠（Sol）是由孤立的細小粒子或大分子組成，分散在溶液中的膠體體系。 凝膠（Gel）是一種由細小粒子聚集而成三維網狀結構的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系，凝膠中滲有連續(xù)的分散介質。 沉淀物（precipitate）由孤立粒子聚集體組成。23. 簡述高能球磨制備納米微粒的步驟及該方法優(yōu)缺點。工藝過程有以下幾個步驟組成：1）根據(jù)所制產品的元素組成，將由兩種或多種單質或合金粉末組成初始粉末。2）選擇球磨介質，根據(jù)所制產品的性質，在