納米材料與納米結(jié)構(gòu)21個題目完整答案

1、1. 簡單論述納米材料的定義與分類。2. 什么是原子團(tuán)簇? 談?wù)勊姆诸?3. 通過Raman 光譜中任何鑒別單壁和多臂碳納米管? 如何計算單壁碳納米管直徑? 4. 論述碳納米管的生長機(jī)理。5. 論述氣相和溶液法生長納米線的生長機(jī)理。6. 解釋納米顆粒紅外吸收寬化和藍(lán)移的原因。7. 論述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途徑。8. 什么是庫侖堵塞效應(yīng)以及觀察到的條件？9. 寫出公式討論半導(dǎo)體納米顆粒的量子限域效應(yīng)和介電限域效應(yīng)對其吸收邊，發(fā)光峰的影響。10. 納米材料中的聲子限域和壓應(yīng)力如何影響其Raman 光譜。11. 論述制備納米材料的氣相法和濕化學(xué)法。12. 什么是納米結(jié)構(gòu)，并舉例說明

2、它們是如何分類的，其中自組裝納米結(jié)構(gòu)形成的條件是什么。13. 簡單討論納米顆粒的組裝方法14. 論述一維納米結(jié)構(gòu)的組裝，并介紹2種納米器件的結(jié)構(gòu)。15. 論述一維納米結(jié)構(gòu)的組裝，并介紹2種納米器件的結(jié)構(gòu)。16. 簡單討論納米材料的磁學(xué)性能。17. 簡述“尺寸選擇沉淀法”制備單分散銀納米顆粒的基本原理18. 簡述光子晶體的概念及其結(jié)構(gòu)19. 目前人們已經(jīng)制備了哪些納米結(jié)構(gòu)單元、復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和納米器件。并說明那些納米結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有增強(qiáng)物理和化學(xué)性能。20. 簡單論述單電子晶體管的原理。21. 簡述納米結(jié)構(gòu)組裝的工作原理。1.簡單論述納米材料的定義與分類。答：最初納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納

3、米薄膜和固體?，F(xiàn)在廣義: 納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍，或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料可分為三大類：零維：指在空間三維尺度均在納米尺度，如：納米顆粒，原子團(tuán)簇等。一維：指在空間有兩處處于納米尺度，如：納米絲，納米棒，納米管等。 二維：指在三維空間中有一維處在納米尺度，如：超薄膜，多層膜等。因為這些單元最具有量子的性質(zhì)，所以對零維，一維，二維的基本單元，分別又具有量子點，量子線和量子阱之稱。3.通過Raman光譜中如何鑒別單壁和多壁碳納米管？如何計算單壁碳納米管的直徑？答：利用微束拉曼光譜儀能有效地觀察到單臂納米管特有的譜線，這是鑒定單臂納米管非常靈敏

4、的方法。100-400cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)單臂納米管的特征峰，單臂納米管特有的環(huán)呼吸振動模式；1609cm-1，這是定向多壁納米管的拉曼特征峰。單臂管的直徑d與特征拉曼峰的波數(shù)成反比，即d=224/wd：單壁管的直徑，nm；w：為特征拉曼峰的波數(shù)cm-14.論述碳納米管的生長機(jī)理。答：采用化學(xué)氣相沉積（CVD)在襯底上控制生長多壁碳納米管。原理：首先，過鍍金屬(Fe ,Co, Ni)催化劑顆粒吸收和分解碳化合物，碳與金屬形成碳-金屬體，隨后碳原子從過飽和的催化劑顆粒中析出，為了便于碳納米管的合成，金屬納米催化劑通常由具有較大的表面積的材料承載。各種生長模型：1、五元環(huán)七元環(huán)缺陷沉積生長 2、層層

5、相互作用(lip-lip interaction)生長3、層流生長(step flow)4、頂端生長(tip growth)5、根部生長(base growth)6、噴塑模式生長(extrusion mode) 7、范守善院士：13C同位素標(biāo)記，多壁碳納米管的所有層數(shù)同時從催化劑中生長出來的，證明了“帽”式生長(yarmulke)的合理性；“帽”式生長機(jī)理：不是生長一內(nèi)單壁管，然后生長外單壁管；而是在從固熔體相處時，開始就形成多層管。5.論述氣相和溶液法生長納米線的基本原理。 6.解釋納米顆粒紅外吸收寬化和藍(lán)移的原因。答：紅外吸收帶的寬化原因：納米氮化硅、SiC、及Al2O3粉對紅外有一個寬頻

6、帶強(qiáng)吸收譜，這是由于納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個單一的，擇優(yōu)的鍵振動模，而存在一個較寬的鍵振動模的分布，在紅外光場作用下，它們對紅外吸收的頻率也就存在一個較寬的分布。這就導(dǎo)致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。藍(lán)移原因：與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長方向。表面效應(yīng)：由于納米微粒尺寸小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。 對納米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近鄰和第二近鄰的距離變短。鍵長的縮短導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動頻率增大，結(jié)果使紅外光吸收帶移向了高波數(shù)。（化學(xué)鍵的振動）量子尺寸效應(yīng)：由于顆粒

7、尺寸下降能隙變寬，這就導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向。Ball等對這種藍(lán)移現(xiàn)象給出了普適性的解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級與未被占據(jù)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(chǎn)生藍(lán)移的根本原因。這種解釋對半導(dǎo)體和絕緣體都適應(yīng)。（電子躍遷）7.論述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途徑。答：光催化的基本原理：當(dāng)半導(dǎo)體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(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴時，電子具有還原性，空穴具有氧化性。空穴與半導(dǎo)體納米粒子表面OH反應(yīng)生成氧化性很高的·OH自由基，這種活潑的·OH自由基可把許多難降解的有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無機(jī)物。提高光

8、催化活性的途徑：半導(dǎo)體的光催化活性主要取決于:導(dǎo)帶與價帶的氧化還原電位。價帶的氧化還原電位越正，導(dǎo)帶的氧化還原電位越負(fù)，則光生電子和空穴的還原及氧化能力越強(qiáng)，光催化的效率就越高。（1）減小半導(dǎo)體光催化劑的顆粒尺寸，可以提高其催化效率。（a.當(dāng)半導(dǎo)體粒子d某一臨界值，量子尺寸效應(yīng)變的顯著,這時導(dǎo)帶與價帶變成分離能級，能隙變寬，價帶電位變的更正，導(dǎo)帶電位變的更負(fù)，這就增加了光生空穴和電子的氧化還原能力。b.光生載流子可通過簡單的擴(kuò)散，從粒子內(nèi)部遷移到粒子的表面，而與電子給體或受體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的時間越小，光電電荷分離效果就越高，電子和空穴的復(fù)合概率就越小，從而導(dǎo)致光催化活性

9、的提高。c.納米半導(dǎo)體的尺寸越小，處于表面的原子越多，比表面積越大，大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體催化吸附的能力從而提高了光催化降解有機(jī)物的能力。）（2）通過對納米半導(dǎo)體材料進(jìn)行敏化，攙雜，表面修飾以及表面沉淀金屬或金屬氧化物等方法，顯著改善光吸收及光催化性能8.什么是庫侖堵塞效應(yīng)以及觀察到的條件？答：庫侖堵塞效應(yīng)：由于庫侖堵塞能的存在對一個小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子傳輸，這種現(xiàn)象叫做庫侖堵塞效應(yīng)。庫侖堵塞是在極低溫度下觀察到的.觀察到的條件是:（e2/2C）> kBT有人曾統(tǒng)計如果量子點的尺寸為nm，可在室溫下觀察到上述效應(yīng)。量子點是十幾nm。上述效應(yīng)必須在液氮溫度下。

10、9.寫出公式討論半導(dǎo)體納米顆粒的量子限域效應(yīng)和介電限域效應(yīng)對其吸收邊，發(fā)光峰的影響。答：式中：E（r）: 納米微粒的吸收帶隙， Eg(r=) 為體相的帶隙， r為粒子半徑=me-1+mh-1 -1 為粒子的折合質(zhì)量，其中me和 mh分別為電子和空穴的有效質(zhì)量第二項為量子限域能（藍(lán)移），第三項表明介電限域效應(yīng),第四項為有效里德伯能 由上式可以看出，隨著粒子半徑的減少，量子限域效應(yīng)為主，其吸收光譜發(fā)生藍(lán)移；介電限域效應(yīng)導(dǎo)致介電常數(shù)增加引起吸收邊藍(lán)移，其吸收光譜發(fā)生紅移。10.納米材料中的聲子限域和壓應(yīng)力如何影響其Raman光譜。答：聲子限域效應(yīng)加強(qiáng)，使Raman峰向低波方向移動，發(fā)生藍(lán)移，表面包覆

11、或鑲嵌某物質(zhì)時，Raman要考慮正壓力的影響，正壓力增加，Raman光譜向高波數(shù)方向移動，發(fā)生紅移。11.論述制備納米材料的氣相法和濕化學(xué)法。在納米制備研究中最重要的是什么？答：氣相法：既嚴(yán)格控制了成核過程，又避免了因為擴(kuò)散與擾動或者產(chǎn)物收集與后處理時導(dǎo)致的團(tuán)聚。因此是控制粒徑單分散的最佳方法之一。（1）低壓氣體中蒸發(fā)法（氣體冷凝法）：此種制備方法是在低壓的氬、氮等惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成超微粒（11000nm）或納米微粒。用氣體冷凝法可通過調(diào)節(jié)惰性氣體壓力，蒸發(fā)物質(zhì)的分壓即蒸發(fā)溫度或速度，或惰性氣體的溫度，來控制納米微粒粒徑的大小。（2）活性氫-熔融金屬反應(yīng)法：含有氫氣的等離子體與

12、金屬間產(chǎn)生電弧，使金屬熔融，電離的N2，Ar等氣體和H2溶入熔融金屬，然后釋放出來，在氣體中形成了金屬的超微粒子，用離心收集器、過濾式收集器使微粒與氣體分離而獲得納米微粒。（3）濺射法：用兩塊金屬板分別作為陽極和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩電極間充入Ar氣（40-250Pa）。兩電極間施加的電壓范圍為0.3-1.5kV。由于兩電極間的輝光放點使Ar離子形成，在電場的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子，并在附著面上沉積下來。（4）流動液面上真空蒸度法：在高真空中蒸發(fā)的金屬原子在流動的油面內(nèi)形成超微粒子。（5）通電加熱蒸發(fā)法：通過碳棒與金屬相接觸，通電加熱使金

13、屬熔化，金屬與高速碳素反應(yīng)并蒸發(fā)形成碳化物超微粒子。（6）混合等離子法：采用RF等離子與DC等離子組合的混合方式來獲得超微粒子。（7）激光誘導(dǎo)化學(xué)氣象沉積（LICVD）：LICVD具有清潔表面、粒子大小可精確控制、無粘結(jié)，粒度分布均勻等優(yōu)點，并容易制備出幾納米至幾十納米的非晶態(tài)或晶態(tài)納米微粒。利用大功率激光器的激光束照射于反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體通過對入射激光光子的強(qiáng)吸收，氣體分子或原子在瞬間得到加熱、活化，在極短的時間內(nèi)完成反應(yīng)、成核、凝聚、生長等過程，從而制得相應(yīng)物質(zhì)的納米顆粒。（8）爆炸絲法：適用于連續(xù)生產(chǎn)納米金屬、合金和金屬氧化物納米粉體。（9）化學(xué)氣相凝聚法（CVC）和燃燒火焰-化學(xué)氣相凝

14、聚法：通過金屬有機(jī)先驅(qū)物分子熱解獲得納米陶瓷粉體。濕化學(xué)法：在液體懸浮液中收集納米粒子可以保證所得納米粉體對團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)、組成變化的穩(wěn)定性。因為反應(yīng)在溶液中已完成，不需要再加熱燒結(jié)，所以防止納米顆粒的團(tuán)聚以及結(jié)構(gòu)、組成的變化，表面有一層表面活性劑，起到保護(hù)作用。（1）沉淀法：指含一種或多種離子的可溶性鹽溶液，加入沉淀劑（如OH，C2O4一，CO3等），或于一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類的前驅(qū)體沉淀物從溶液中析出，經(jīng)固液分離，并將沉淀物洗滌以洗去其中的陰離子，經(jīng)熱分解或脫水即得到所需的氧化物粉料。 沉淀法制備納米顆粒主要分為共沉淀法、均相沉淀法、混合物共

15、沉淀、金屬醇鹽水解法等多種。（2）噴霧法：將溶液通過各種物理手段霧化獲得超微粒子的一種化學(xué)與物理相結(jié)合的方法。主要包括：噴霧干燥法、霧化水解法、霧化焙燒法。（3）水熱法（高溫水解法）：一般是在100350溫度下和高氣壓環(huán)境下使無機(jī)或有機(jī)化合物與水化合，通過對加速滲析反應(yīng)和物理過程的控制，可以得到改進(jìn)的無機(jī)物，再過濾、洗滌、干燥，從而得到高純、超細(xì)的各類微顆粒。（4）溶劑揮發(fā)分解法：將金屬鹽的溶液霧化成微小液滴、并快速凍結(jié)成固體，然后加熱使這種凍結(jié)的液滴中的水升華氣化，從而形成了溶質(zhì)的無機(jī)鹽。經(jīng)焙燒合成了超微粒粉體。（5）溶膠凝膠法：以液體的化學(xué)試劑配制成金屬無機(jī)鹽或金屬醇鹽前驅(qū)物，前驅(qū)物溶于溶

16、劑中形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物經(jīng)聚集后，一般生成1nm左右的粒子并形成溶膠。通常要求反應(yīng)物在液相下均勻混合，均勻反應(yīng)，反應(yīng)生成物是穩(wěn)定的溶膠體系。（6）輻射化學(xué)合成法：金屬鹽溶液在射線輻照下逐級還原成金屬納米粒子。在納米制備研究中最重要的是：12.什么是納米結(jié)構(gòu)，并舉例說明他們是如何分類的，其中自組裝納米結(jié)構(gòu)形成的條件是什么？答：納米結(jié)構(gòu)：是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)。按一定規(guī)律構(gòu)筑和營造一種新的體系。它包括一維、二維、三維體系。分類: 關(guān)于納米結(jié)構(gòu)組裝體系的劃分至今沒有一個成熟的看法。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程的驅(qū)動力是靠外因還是靠內(nèi)因來劃分，大致可分為兩大類。1

17、.人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系：按照人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人為的將納米尺度的物質(zhì)單元組裝。排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系。包括納米有序陣列和介孔復(fù)合體系。2.納米結(jié)構(gòu)自組裝體系和分子自組裝體系：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、配位鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子、分子或納米結(jié)構(gòu)單元連接在一起構(gòu)筑成一個納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系的形成有兩個重要的條件：（1） 有足夠數(shù)量非共價鍵或氫鍵存在（因為氫鍵和范德瓦耳斯鍵等非共價鍵很弱（0.15kcal /mol）只有足夠量的弱鍵存在，才能通過協(xié)同作用構(gòu)筑成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)體系。(2) 是自組裝體系能

18、量較低，否則很難形成穩(wěn)定的自組裝體系。 13.簡單討論納米顆粒的組裝方法。答：納米團(tuán)簇的超分子化學(xué)組裝方法可分為兩類：1）膠態(tài)晶體法：是利用膠體溶液的自組裝特性使納米團(tuán)簇組裝成膠態(tài)晶體，得到二維或三維的超晶格。2）模板法：是利用納米團(tuán)簇與組裝模板間的識別作用來帶動團(tuán)簇的組裝，由于選定的組裝模板與納米顆粒之間的識別作用，而使得模板對組裝過程具有指導(dǎo)作用，組裝過程更完善。14.論述一維納米線的制備方法。答： 納米碳管模板法：C-tube的納米空間為氣相化學(xué)反應(yīng)提供了特殊的環(huán)境，碳納米管就像一個特殊的試管，一方面提供反應(yīng)所需要的碳源，消耗自身，另一方面提供了反應(yīng)的場所，同時，又限制了生成物的生長方向

19、，該方法可用于其他納米線的制備。 晶體的氣-固（Vapor-solid,V-S)生長法：凹坑或蝕丘為納米絲提供了成核位置, 并且它的尺寸限定MgO納米絲的臨界成核直徑，從而使MgO生長成直徑為納米級的絲。 選擇電沉積制備磁性金屬納米線； 激光燒蝕與晶體的氣-液-固生長法相結(jié)合，生長出第IV族的半導(dǎo)體納米線：該法中激光燒蝕的作用在于克服平衡狀態(tài)下團(tuán)簇尺寸的限制，可形成比平衡狀態(tài)下團(tuán)簇最小尺寸還小的直徑為納米級的液相催化劑團(tuán)簇，這種液相催化劑尺寸的大小限定了后期按V-L-S機(jī)理生長的線狀物的直徑。 金屬有機(jī)化合物氣相外延（MOVPE），（）碳熱還原生長納米線，（7）簡單物理蒸發(fā)法制備納米線，（）金

20、屬表面上的原位生長法，()溶液-液相-固相( S-L-S）生長法制備III-半導(dǎo)體納線。15.論述一維納米結(jié)構(gòu)的組裝，并介紹2種納米器件的結(jié)構(gòu)。答：一維納米結(jié)構(gòu)的組裝：（1）模板法組裝納米結(jié)構(gòu)：將流體組裝技術(shù)與表面模板技術(shù)結(jié)合在一起成功地將一維納米結(jié)構(gòu)組裝成平行陣列。（2）L-B技術(shù)表面壓力組裝納米棒陣列：通過表面張力的遞增，使原本無序排列的各向同性的納米棒首先排列成二維向列性排布，繼而排列成二維近晶性的有序結(jié)構(gòu)，多層這種二維結(jié)構(gòu)疊加在一起，最終得到三維排列的有序納米棒的陣列，3D向列。（3）電場驅(qū)動組裝：采用電場驅(qū)動組裝的方法將納米線的組裝與其半導(dǎo)體性質(zhì)的測量聯(lián)系起來。（4）催化劑的圖案化；

21、（5）其他方法：eg加熱ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳襯底或Si襯底上生長分級納米結(jié)構(gòu)；以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多晶Al2O3襯底上分別得到了ZnO螺旋槳狀納米結(jié)構(gòu)。2種納米器件的結(jié)構(gòu)： ZnO納米線直流發(fā)電機(jī)；納米管收音機(jī)16.簡單論述納米材料的磁學(xué)性能。答：納米材料的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)晶粒材料所不具備的磁特性超順磁性、高矯頑力、低居里溫度、高比磁化率等。（1）超順磁性：納米微粒尺寸小到一定臨界值時進(jìn)入超順磁狀態(tài)，原因為：在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運動能可相比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向做無規(guī)律的變化，結(jié)構(gòu)

22、導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)，不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁的臨界尺寸是不相同的。（2）矯頑力：納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的矯頑力。（3）居里溫度：居里溫度為物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分成正比，并與原子結(jié)構(gòu)和間距有關(guān)。對于薄膜，理論與實驗研究表明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降。對于納米微粒，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和內(nèi)稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。（4）磁化率：納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)。每個微粒的電子可以看成一個體系，電子數(shù)的宇稱可為奇或偶。一價金屬的粉體，一半粒子的宇成為奇，另一半為偶，兩價金屬的粒子的宇成為偶，電子數(shù)

23、為奇或偶數(shù)的粒子磁性有不同溫度特點。（5） 納米微粒的其他磁特性：納米金屬Fe（5nm）飽和磁化強(qiáng)度比常規(guī)Fe低40，其比飽和磁化強(qiáng)度隨粒徑的減小而下降單晶FeF2由順磁轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁的奈耳溫度范圍很窄，只有2K，而納米 FeF2（ 10nm）在 7888K由順磁轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁，即有一個寬達(dá)12K的奈耳溫度范圍；1988年日本發(fā)現(xiàn)納米合金FeSiBiCu（2050nm）具有好的軟磁性能，可用作高頻轉(zhuǎn)換器，其芯耗低至200mWcm3，有效磁導(dǎo)率高于108。當(dāng)晶粒度大于100nm時，上述軟磁性能消失。Sb通常為抗磁性，其0，但納米微晶的0，表現(xiàn)出順磁性。17.簡述“尺寸選擇沉淀法”制備單分散銀納米顆粒的基本原理。答：十二烷硫醇包覆的Ag粒子在庚烷中將其分散，這些粒子尺寸分散性比較大，為了降低這種多分散性，需要采用尺寸選擇沉淀法。具體做法是： 包覆型 Ag粒子在己烷中具有高的可溶性，而在吡啶中的可溶性差。先將包覆型 Ag粒子溶解在己烷中。 如果將吡啶緩慢加到含有包覆型 Ag粒子的己烷中，則當(dāng)吡啶達(dá)到某一給定體積時，溶液將出現(xiàn)渾濁，并有沉淀出現(xiàn)，這相應(yīng)于最大粒子的凝聚。這些粒子之間的范得瓦耳斯力比