纳米材料导论复习题

1 《纳米材料导论》复习题2013.12第一章 1、纳米材料有哪些危害性？答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。纳米技术对环境的危害性：美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性。2、什么是纳米材料、纳米结构？答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。3、什么是纳米科技？答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-7)到十亿分之一米(10-9米)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、分子进行操纵和加工的技术。4、什么是纳米技术的科学意义？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。5、纳米材料有哪4种维度？举例说明答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM答：STM扫描隧道显微镜AFM原子力显微镜SEM扫描电子显微镜XRFX射线荧光分析TEM透射电子显微镜7、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响答：STM工作原理：扫描隧道显微镜是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持恒定的电流，依此来观测物体表面的形貌STM对纳米技术的影响：它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率此外扫描隧道显微镜在2 低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。AFM工作原理：AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂会因为受到探针头和表面的引力而遵从胡克定律弯曲偏移在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、静电力、磁力（见磁力显微镜）喀希米尔效应力、溶剂力等等。通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（如铝）以增强其反射通过惠斯登电桥，探头的形变何以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏。AFM对纳米技术的影响：不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害，第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作，这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。8、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理 扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距控制系统，使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离≤10Å时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1Å，电流就变化一个数量级左右移动探针或样品，使探针在样品上扫描。 原子力显微镜：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定另一端的针尖与样品表面轻轻接触当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10‐8‐‐10‐6N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系（遵循胡克定律）。 9、举例说明：常规能源、新能源、可再生能源、不可再生能源。答：常规能源：指人类已广泛使用且开发利用技术比较成熟的能源，如煤、石油、天然气、水能和生物能等常规能源是目前全世界最主要的能源，占全部能源生产消费总量的90％以上新能源：指传统能源之外的各种能源形式，即刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能（潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能）、生物质能和核聚变能等。可再生能源：泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类历史时期内都不会耗尽的能源，但可再生能源不包含现时有限的能源如太阳能、地热能、水能、风能、生物能、潮汐能不可再生能源：指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，叫“不可再生能源”如煤、石油、天然气、核能、油页岩。10、纳米材料与传统材料的主要差别。 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象 11、纳米科技的分类 纳米科技从研究内容上可以分为三个方面： 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料是纳米科技发展的物质基础。 纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 纳米尺度的检测和表征。 12、纳米技术与微电子技术的主要区别是： 3 纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的，人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。 13、了解纳米技术提出的背景及发展过程 背景：1959年，美国物理学家R. Feynman发表“There’s Plenty of Room at the Bottom”的著名讲话。 1962年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo)提出针对金属超微粒子的著名的久保理论，即超微粒子的量子限域理论。 1981年，苏黎世IBM研究所G. Binnig和H. Rohrer发明研究纳米的重要工具‐扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用； 1984年，德国萨尔大学的H. Gleiter等人首次制备纳米相材料。 1985年，H. W. Kroto, R. E. Smalley 和B. Curl发现碳60，1996年三人获诺贝尔化学奖 发展过程：1987年，Bell实验室的科学家发明了一种靠单电子作为电流开头的晶体管世界上第一个单电子晶体管诞生。 1988年，Dupont公司的科研人员W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个人为设计的蛋白质诞生了。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生； 1993年，第一个致力于纳米技术研究的实验室在美国Rice大学诞生。 1999年，美国耶鲁大学的科学家创造了单分子有机开关。 2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划(NNI)，NNI的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到普遍的接受自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮。 14、什么是纳米世界的“眼”和“手” 扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）， STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。 15、纳米科技之父：纳米科技的预言者——理查德∙费曼先生，1959年12月29日在美国应用物理年会上的讲话－ 《在底部还有很大空间》。主要内容有：如果有一天可以按人的意志排列一个个原子，世界将会发生什么呢？”； “就物理学家而言，一个一个原子地构造物质并不违背物理学规律。” ；“对大尺度的表观物质而言，微小原子的行为无足轻重，但它们都服从量子力学定律。因此当我们下到微观世界把原子胡乱拨弄一通时，我们将在不同的规律下工作，而且可以期望做出不同的事情。” ；“在原子水平上，我们面对着新的力和新的效应，材料的制造和生产问题将十分不同。” 16、与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个？ 1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜。 2010年：英国曼彻斯特大学科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖。 17、世界上第一个单电子晶体管何年诞生？（1987） 18、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生？（1988） 19、第一届国际纳米科技会议何年在哪召开？ 1990年7月，美国巴尔的摩。 20、首届纳米材料会议在哪召开？1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开。  第二章 1、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。4 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。表面效应：纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位严重不足，具有不饱和性质，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。因而极易与其它原子结合而趋于稳定； 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应。 宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 2、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因 熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加。 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。 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 比热容增加：纳米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大（比常规块体） ，因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料高很多需要更多的能量来给表面原子的振动或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢。 3、激子的定义是什么？答：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与