纳米作业及答案-完整版

1绪论1、什么是纳米科学技术？纳米科技的主要研究内容有哪些？定义：20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。纳米科技的主要研究内容:（1）创造和制备优异性能的纳米材料；（2）制备各种纳米器件和装置；（3）探测和分析纳米区域的性质和现象。2、纳米材料的定义？按照结构维度划分，纳米材料可以分为哪几类？纳米材料(Nanomaterials)的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。按结构维度(thenumberofdimensions）分为5类：(1)0维材料quasi-zerodimensional—三维尺寸为纳米级(100nm)以下的颗粒状物质。(2)1维材料—线径为1—100nm的纤维(管)。(3)2维材料—厚度为1—100nm的薄膜。(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)3、纳米科技的最终目标是什么？纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。4、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”(topdown)：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”(bottomup)：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。5、名词解释：纳米结构，纳米组装体系，纳米结构人工组装体系，纳米结构自组装体系。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管及纳米尺寸的孔洞为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类:一是人工纳米结构组装体系；2二是纳米结构自组装体系。人工纳米结构组装体系是按人类的意志，利用物理和化学的方法人工将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。第一章1、什么是团簇？有哪些分类？其研究内容有哪些？有哪些奇异的特性？定义:原子团簇，简称团簇，是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化.分类：(1)一元团簇，如：Nan,Nin，C60,C70(2)二元团簇，如：InnPm,AgnSm(3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m(4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白质分子)。研究内容:1.团簇的基本研究问题之一就是揭示团簇产生机理。2.团簇研究的的另一个基本问题是固体的电子能带结构是如何形成和发展的。奇异的特性：1）极大的比表面积。2）异常高的化学和催化活性。metal3）光的量子尺寸效应和非线性效应。4）电导的几何尺寸效应。carbon5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性。6）碳管、碳葱的导电性。2、富勒烯可能在哪些方面得以应用？1).它可能成为继Si、Ge、GaAs之后的又一种新型半导体材料。2）C60和C70是一种良好的非线性光学材料。3).合成金刚石的理想原料4).富勒烯虽然是非常稳定的分子，但化学性质却是很活泼的。5).增强金属6).新型催化剂7).C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物，形成新的分子团簇。3、什么是纳米微粒？与微米微粒和原子团簇有何区别？纳米微粒、微米颗粒与原子团簇的区别不仅仅反应在尺寸方面，更重要的是在物理与化学性质方面的显著差异。一般微米颗粒不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；团簇具有量子尺寸效应和幻数效应；而纳米颗粒不具有幻数效应。4、什么是人造原子？与真正原子的区别在哪里？所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的具有显著量子力学特征的人造聚集体，它们的尺寸小于100nm。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电3子能级结构，因此“人造原子”有时称为“量子点”。相似之处：首先，人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子都是以轨道的形式运动。其次，电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪德定则。不同之处：1）人造原子含有一定数量的真正原子；2）形状和对称性多种多样(形貌)，真正原子可用球形或立方形描述。3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多(多电子交互作用)。5、合成纳米碳管的常有方法有哪些？电弧放电法,激光烧蚀法,化学气相沉淀法,催化电弧法6、单壁碳管按结构可以分为哪几类？单壁碳纳米管,锯齿形碳纳米管,手性形碳纳米管7、何谓准一维纳米材料？准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大很多，甚至为宏观量(如毫米级、厘米级等)的纳米材料。根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。第二章1、名词解释：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。量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HOMO)和最低未被占据的分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽现象，称为量子尺寸效应。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---小尺寸效应。库仑堵塞效应:通常把小体系这种单电子运输行为，称为库仑堵塞效应。量子隧道效应:电子由一个粒子跃到另一个小导体的行为宏观量子效应:为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应。2、久保理论的两个主要假设是什么？(i)简并费米液体假设：久保把超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，而准粒子之间交互作用可忽略不计。(ii)超微粒子电中性假设：久保认为：对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的。第三章1、纳米颗粒熔点下降的原因是什么？由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平均配位数降低，这些4表面原子近邻配位不全，具有更高的能量，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。2、纳米材料电阻温度系数出现负数的原因是什么？•纳米材料体系有大量界面，电子界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋向于饱和值，随温度的变化趋缓。（电阻增加）•当粒径超过一定值时，量子尺寸效应造成的费米面附近的电子能级离散性不可忽视，最后温度升高造成的热激发电子对电导的贡献增大(类似与半导体)，即电阻温度系数变负。•（电阻减小）•久保理论:1K，14nm银发生量子尺寸效应。3、纳米结构材料高的介电常数的原因是什么？(1)界面极化(空间电荷极化)纳米固体界面中存在大量悬挂键、空位以及空洞等缺陷，在电场作用下，正负间隙电荷分别向负正极移动，电荷运动结果聚积在界面的缺陷处，在界面两侧形成了电偶极矩，即界面电荷极化。同时，纳米粒子内部存在晶格畸变及空位等缺陷，可能产生界面极化。界面极化对介电贡献比常规粗晶材料大，这就导致纳米固体具有高的介电常数。(2)转向极化纳米氧化物如-Al2O3除了共价键外，还存在大量离子键(63%)，因此，在原子排列较混乱的庞大界面中及具有较大晶格畸变和空位等缺陷的纳米粒子内部会存在相当数量的氧离子空位。这些空位带正电荷。与带负电荷的氧形成固有电矩，在外电场作用下，它们改变方向形成转向极化(出现介电峰)。转向极化是纳米材料的较高介电常数的重要因素之一。(3)松弛极化它包括电子松弛极化(弱束缚电子在外场作用下从一个阳离子结点向另一个阳离子结点转移产生的)和离子松弛极化(弱束缚离子在外场作用下从一个平衡位置向另一个平衡位置转移产生的)。它们对纳米材料介电常数起作用。纳米材料的极化通常有几种机制同时起作用，特别是界面极化(空间电荷极化)、转向极化和松弛极化(电子或离子的场致位移)，它们对介电常数的贡献比常规材料高得多，因此呈现出高介电常数。4、什么是压电效应？某些晶体受到机械作用(应力或应变)在其两端出现符号相反的束缚电荷的现象称为压电效应。实质上是晶体介质极化引起的。纳米非晶氮化硅块体上观察到强的压电效应，传统的非晶氮化硅粒径达到微米数量级，界面急剧减少(小于0.01％)导致压电效应为0。换句话说纳米非晶氮化硅块体的压电性是由界面产生的，而不是颗粒本身。颗粒越小，界面越多。缺陷偶极矩浓度越高，对压电性的贡献越大。5、什么是出现超顺磁态的原因？处于超顺磁状态的材料具有哪些特点？•当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向)减小到与热运动能相比拟，在热扰动作用下，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。5•因为不同材料磁各向异性能不同，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的。6、纳米颗粒的矫顽力与其尺寸的关系是什么？晶粒直径D有三个临界尺寸。当DDc时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，Hc相对较小；当DDc时，粒子为单畴，但在dcDDc时，出现非均匀转动，Hc随D的减小而增大；当dthDdc时，为均匀转动区，Hc达极大值。当Ddth时，Hc随D的减小而急剧降低，直至达到超顺磁性。7、为什么只有Cu膜里的纳米Co粒子体积分数达到一定值时，才会出现巨磁电阻极大值？•当Fe、Co颗粒体积百分数较小时，影响巨磁电阻的因素有3个方面：•一是散射中心减少电导提高•二是颗粒之间间距大于电子平均自由程•电导提高•三是颗粒尺寸下降电导下降•前两个因素引起巨磁电阻下降，最后一个因素引起巨磁电阻升高，前二者的权重大，总巨磁电阻较低；•颗粒体积百分数较高时，颗粒尺寸变大，•当颗粒尺寸大于电子平均自由程，甚至形成了磁畴，这时大尺寸颗粒成为影响巨磁电阻的主要因素，它导致了巨磁电阻的下降。•因此，在一定的颗粒体积百分数下，巨磁电阻呈现极大值。8、为什么纳米材料出现红外吸收谱宽化现象？纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因：1）尺寸分布效应：晶格畸变•纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。•这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙也有一个分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。2）界面效应：•界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。9、什么是蓝移？蓝移的原因是什么？蓝移即吸收带移向短波长方向原因:1,量子尺寸效应,由于颗粒尺寸能隙变宽,导致光吸收带移向短波长方向.2,表面效应,由于纳米颗粒小,大的表面张力使晶粒畸变,晶格常数变小10、纳米晶材料硬度与尺寸的关系是什么？硬度与尺寸关系有几种情况1）正Hall-Petch关系K0：与常规晶粒一样，硬度随尺寸减小而增大2）负Hall-Petch关系K0，硬度随尺寸减小而下降，在常规多晶材料中未出现过。3）正－反