纳米材料与应用

一、名词解释1.化学气相沉积法：是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。2.水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。3.磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁）之间施加几百K直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。4.溶胶--凝胶法就是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。5.？脉冲激光沉积是一种利用聚焦后的高功率脉冲激光对样品进行轰击，将样品汽化形成等离子蕈状团，并沉淀于基板上形成薄膜。6.原子层沉积法：是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。7.？静电纺丝法：静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝。8.蒸发凝聚法：是以物态变化为基础的，工艺是将原料用电阻炉、高频感应炉、电弧或等离子体加热气化，然后急速冷却，以凝聚产生超微细粉。9.零维纳米材料：团簇、人造原子、纳米微粒一维：纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维二维：纳米带、超薄膜、多层膜（体系至少有一维尺寸在纳米数量级）10.巨磁电阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。11.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。12.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。13.量子点：是指载流子仅在一个方向上可以自由运动，而在另外两个方向上则受到约束。也叫一维量子线。量子阱：是指载流子在两个方向（如在X,Y平面内）上可以自由运动，而在另外一个方向（Z）则受到约束，即材料在这个方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小。量子计算机：是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。14.赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。双电层电容是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。15.复合材料：由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。纳米科技：在纳米尺度（l~100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。16.纳米机械学就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究设计过程中的思维活动，各组成单元的工作原理和设计理论与方法，并对该系统进行功能+综合和定量描述其性能的科学。纳米电子学是纳米科学与技术这一新兴学科的重要组成部分，它代表微电子学的发展趋势，并将成为下一代电子科学与技术的基础。17.液相反应法：通过溶液反应获得均相溶液，除去溶剂后得到所需粉末的前驱体，经热解得到细小粉末的制粉方法。18.？纳米压印技术突破了传统光刻在特征尺寸减小过程中的难题，具有分辨率高、低成本、高产率的特点。19.纳米线，是一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。？纳米线和纳米带是目前纳米科学和技术研究和发展中最为前沿的材料。这些一维纳米结构容纳了大量的材料，从金属、陶瓷、半导体到高分子，几科所有的材料都可以合成出一维纳米结构。纳米管:①单壁碳纳米管：由一层石墨烯片组成。典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。②多壁碳纳米管：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。20．？激光烧蚀技术：通过飞秒-纳秒量级的脉冲激光将材料表面表面烧蚀，被广泛应用于微加工、外科手术、X射线激光、生物分子质谱以及艺术品修复/清洁等领域；对激光烧蚀产生的等离子体的光学/光谱诊断是研究等离子体动力学的主要方法之一。1.溶胶凝胶法的基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧除去有机成分，最后得到无机材料。2.气相法制备纳米微粒包括化学气相反应法：气相分解法，气相合成法，气－固反应法物理气相法：气体冷凝法，氢电弧等离子体法，溅射法，真空沉积法，加热蒸发法，混合等离子体。3.纳米材料通常按照维度进行分类。超细粒子，团簇→0维材料纳米线或管→1维纳米材料纳米膜→2维纳米材料纳米块体→3维纳米材料4.溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。5.溶胶凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。三、论述1.纳米材料的分类答：如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。2.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：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：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。3.自组装法原理：基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一稳定、具有一定规则几何外观的结构。特点：①有序性：结构比组成部分有序性高②相互作用力弱：氢键、范德华力、静电作用等③组成结构复杂：包含纳米及细观结构4.碳纳米管的性质和应用：性能（1）电磁性能：碳纳米管具有螺旋、管状结构，预示其具有不同寻常的电磁性能。由于直径和螺旋性不同，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，因而不必掺杂就可以制成一维半导体-金属器件；（2）力学性能：具有低密度、高弹性模量、高强度；（3）热学性能：高的热传导率；（4）吸附性能：具有很强的毛细吸引力。应用（1）场发射(2)修饰电极(3)分子电子器件(4)导电或抗静电塑料（5）探针显微镜(SPM)针尖(6)复合增强材料（7）储气（8）催化剂载体（9）作为模板合成其它纳米管。5.与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度有什么区别，并分别解释原因。答：熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加。A熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，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。B烧结温度降低原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结过程中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低6.试述纳米材料的发光性不同于常规材料的原因。1）由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子、特别是表面激子很容易形成，因此容易产生激子发光带；2）界面体积大，存在大量的缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级；3）平移周期被破坏，在K空间常规材料中电子跃迁的选择定则可能不适用。晶体场不对称4）杂质能级---杂质发光带处于较低能量位置，发光带比较宽。7.纳米复合材料的稳定化设计：纳米稳定化设计要特别注意聚合物的化学结构，聚合物与纳米粒子之间的作用形式有形成共价键、形成离子键、形成配位键和纳米作用能的亲和作用。8.复合材料的定义？答：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中通常有一相为连续相称为基体；另一相为分散相称为增强材料，分散相是以独立状态的形态分布在整个连续相中的，而两相之间存在着相界面，分散相可以是增强纤维也可以是颗粒状或弥散的填料。9.纳米材料的物理化学性能：物理性能:表面效应;小尺寸效应;量子尺寸效应;宏观量子隧道效应化学性能:表面活性及敏感性;催化性能3.碳纳米材料的结构、合成方法、性能10.复合材料的四要素：①基体材料：金属、陶瓷基、树脂基②分散相（填料）：活性（增强、功能化）或非活性填料③复合技术：制备方法（原位复合、模板复合等）、成型加工方法（注射、模压等）④界面设计：两相界面的控制与设计纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。11.湿法分析是以物质的化学反应为基础，根据反应结果直接判定试样中所含成分，并测定含量的分析方。12.超级电容器的优缺点：优点：1.电容量大，可达到法拉级。2.对电路结构要求低。3.可进行焊接处理。缺点：1.安装位置不合理，易发生泄漏。2.仅限于直流电路，不能用于交流电路。3.价格昂贵。13.锂离子电池具有以下优点：1）电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L3）循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力.4）安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。5）自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6)可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。7)工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。缺点：1）电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高，电解质体系提纯困难。2）不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3）需要保护线路控制。A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。14.气液固法：在衬底上涂敷某种金属，在一定温度下形成金属液滴，气相原子(或分子)不断向液滴中溶解，而在另一面析出，实现