納米材料試題

1.什么是納米科學(xué)技術(shù)(Nano-ST):20世紀(jì)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(10–7)到十億分之一米(10–9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子等進(jìn)行操縱和加工的技術(shù)，又稱為納米技術(shù)。2.簡(jiǎn)述納米科技的主要研究?jī)?nèi)容:創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料、制備各種納米器件和裝置、探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。1993年，國(guó)際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為6個(gè)分支學(xué)科（1）納米電子學(xué)、（2）納米物理學(xué)、（3）納米化學(xué)、（4）納米生物學(xué)、（5）納米加工學(xué)、（6）納米計(jì)量學(xué)(定位、測(cè)長(zhǎng)等)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。3.納米材料(Nanomaterials)的定義:把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)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(gòu)成的具有特殊功能的材料。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.納米材料有兩層含義：其一，至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構(gòu)成整體材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度小于100nm，如納米晶合金中的晶粒；其二，尺度效應(yīng)：即當(dāng)尺度減小到納米范圍，材料某種性質(zhì)發(fā)生神奇的突變，具有不同于常規(guī)材料的、優(yōu)異的特性。量子尺寸效應(yīng)。4.納米材料如何分類(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按結(jié)構(gòu)(維度thenumberofdimensions）分為5類：(1)0維材料quasi-zerodimensional—三維尺寸為納米級(jí)(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2維材料—厚度為1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)體相納米材料(由納米材料組裝而成)。ananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation(5)納米孔材料(孔徑為納米級(jí))。MCM-41;SAB-15;Nanoporoussilicon;Activatedcarbons按組成（component）分類金屬納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)和高分子納米材料、復(fù)合納米材料、復(fù)合納米材料：無機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料、無機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu)量子阱(超晶格)材料…………從應(yīng)用的角度看，納米材料可以分為兩大類：一類距現(xiàn)在的應(yīng)用相對(duì)較遠(yuǎn)，如納米量子結(jié)構(gòu)、量子器件等，但是這類材料和器件的發(fā)展將大大拓展和深化人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，使人們能夠在原子、分子水平上制造材料及器件，將導(dǎo)致信息、能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的技術(shù)變革。如芯片另一類具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，并且在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)的發(fā)展過程中起到了重要的作用。如納米復(fù)合材料如碳納米管增強(qiáng)Cu。5.納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別：第一、這種材料至少有一個(gè)方向是在納米的數(shù)量級(jí)上。比如說納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。第二、由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。比如物體的強(qiáng)度、韌性、比熱、導(dǎo)電率、擴(kuò)散率6.目前我們實(shí)驗(yàn)室的主要研究?jī)?nèi)容：A制備納米尺寸范圍材料的相關(guān)技術(shù)液相法：如沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、聚合法、化學(xué)鍍法。氣相法：如蒸發(fā)法、電弧法、化學(xué)氣相沉積法、微弧氧化法。B分析、觀察、檢測(cè)納米體系物質(zhì)的相關(guān)技術(shù)如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度儀，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可見光吸收光譜，熒光光譜，熱分析，磁性儀等。C納米體系物質(zhì)的物理性能如小尺寸效應(yīng)，隧道效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，光、電、熱、磁效應(yīng)等。D納米體系物質(zhì)的化學(xué)性能納米金屬粒子、半導(dǎo)體粒子等,如化學(xué)活性、催化性能、穩(wěn)定性、生物活性等。E納米體系物質(zhì)的應(yīng)用如Nano-Pd/Al2O3，CO助燃劑；Nano-TiO2：抗菌，光催化，自清潔；碳纖維：吸波，聚苯胺：化學(xué)傳感器；V2O5：鋰電池正極材料等。7.制造納米產(chǎn)品的技術(shù)路線可分為哪兩種：“自上而下”(topdown)：是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化。如：切割、研磨、蝕刻、光刻印刷等。特點(diǎn)：尺寸從大到小“自下而上”(bottomup)：是指以原子分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這種技術(shù)路線將減少對(duì)原材料的需求,降低環(huán)境污染。如化學(xué)合成、自組裝、定位組裝等。納米科技的發(fā)展大致可以劃分為3個(gè)階段：第一階段(1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點(diǎn)是根據(jù)奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料：納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)，復(fù)合納米薄膜(0-2復(fù)合)。

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。9．簡(jiǎn)述納米材料分析的特點(diǎn)與分析的意義納米材料分析的特點(diǎn)納米材料具有許多優(yōu)良的特性諸如高比表面、高電導(dǎo)、高硬度、高磁化率等；納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上(0.1nm～100nm之間)研究物質(zhì)（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用這些特性的多學(xué)科的高科技。納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。納米材料分析的意義

納米技術(shù)與納米材料屬于高技術(shù)領(lǐng)域，許多研究人員及相關(guān)人員對(duì)納米材料還不是很熟悉，尤其是對(duì)如何分析和表征納米材料，獲得納米材料的一些特征信息。納米材料的成份分析，形貌分析，粒度分析，結(jié)構(gòu)分析以及表面界面分析等幾個(gè)方面。10．成分分析的重要性；成分分析類型和范圍；納米材料成份分析種類成分分析的重要性納米材料的光電聲熱磁等物理性能與組成納米材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)具有密切關(guān)系；TiO2納米光催化劑摻雜C,N例子說明納米發(fā)光材料中的雜質(zhì)種類和濃度還可能對(duì)發(fā)光器件的性能產(chǎn)生影響據(jù)報(bào)；如通過在ZnS中摻雜不同的離子可調(diào)節(jié)在可見區(qū)域的各種顏色因此確定納米材料的元素組成測(cè)定納米材料中雜質(zhì)的種類和濃度是納米材料分析的重要內(nèi)容之一。成分分析類型和范圍納米材料成分分析按照分析對(duì)象和要求可以分為微量樣品分析和痕量成分分析兩種類型；納米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分為體相元素成分分析表面成分分析和微區(qū)成分分析等方法；為達(dá)此目的納米材料成分分析按照分析手段不同又分為光譜分析質(zhì)譜分析和能譜分析；納米材料成份分析種類光譜分析主要包括火焰和電熱原子吸收光譜AAS，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜ICP-OES，X-射線熒光光譜XFS和X-射線衍射光譜分析法XRD；質(zhì)譜分析主要包括電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法TOF-SIMS能譜分析主要包括X射線光電子能譜XPS和俄歇電子能譜法AES11.表面與界面分析的意義及現(xiàn)代儀器分析方法電子材料研究的必要；薄膜材料研究的必要；催化材料研究的必要；納米材料研究的需要；表面與界面現(xiàn)象的普遍性；材料的性能：取決于表面與界面特征。X射線光電子能譜（XPSorESCA）紫外光電子能譜（UPS)俄歇電子能譜（AES）低能離子散射譜（ISS）低能電子能量損失譜（EELS)二次離子質(zhì)譜（SIMS)低能電子衍射（LEED)12．簡(jiǎn)述表面分析研究?jī)?nèi)容與表面分析信息和特點(diǎn)研究?jī)?nèi)容表面元素成分及其化學(xué)狀態(tài)；表面元素鑒定，存在化學(xué)狀態(tài)，化學(xué)鍵合狀態(tài)，定量情況表面幾何結(jié)構(gòu)；原子的二維排列次序；表面的電子結(jié)構(gòu)；電子能態(tài)密度分布等。表面上的原子運(yùn)動(dòng)；表面擴(kuò)散，吸附以及反應(yīng)等。表面分析信息表面元素分析；表面元素的化學(xué)狀態(tài)；表面與界面的半定量分析；元素與化學(xué)態(tài)沿深度方向的分布分析；樣品表面的選點(diǎn)分析；樣品表面的線掃描分析；樣品表面的元素面分布；價(jià)態(tài)電子結(jié)構(gòu)分析特點(diǎn)表面性表面只占體相的很小部分，表面單分子層的電離截面很小。要求有很高的靈敏度；表面上存在大量懸掛化學(xué)健；其化學(xué)狀態(tài)可能與體相不同。13.XPS化學(xué)價(jià)態(tài)分析的特點(diǎn)表面元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析是XPS的最重要的一種分析功能，也是XPS譜圖解析最難，比較容易發(fā)生錯(cuò)誤的部分。在進(jìn)行元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析前，首先必須對(duì)結(jié)合能進(jìn)行正確的校準(zhǔn)。因?yàn)榻Y(jié)合能隨化學(xué)環(huán)境的變化較小，而當(dāng)荷電校準(zhǔn)誤差較大時(shí)，很容易標(biāo)錯(cuò)元素的化學(xué)價(jià)態(tài)。此外，有一些化合物的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)不同的作者和儀器狀態(tài)存在很大的差異，在這種情況下這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)僅能作為參考，最好是自己制備標(biāo)準(zhǔn)樣，這樣才能獲得正確的結(jié)果。有一些化合物的元素不存在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要判斷其價(jià)態(tài)，必須用自制的標(biāo)樣進(jìn)行對(duì)比。還有一些元素的化學(xué)位移很小，用XPS的結(jié)合能不能有效地進(jìn)行化學(xué)價(jià)態(tài)分析，在這種情況下，可以從線形及伴峰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同樣也可以獲得化學(xué)價(jià)態(tài)的信息在PZT薄膜表面，C1s的結(jié)合能為285.0eV和281.5eV，分別對(duì)應(yīng)于有機(jī)碳和金屬碳化物。有機(jī)碳是主要成分，可能是由表面污染所產(chǎn)生的。隨著濺射深度的增加，有機(jī)碳的信號(hào)減弱，而金屬碳化物的峰增強(qiáng)。這結(jié)果說明在PZT薄膜內(nèi)部的碳主要以金屬碳化物存在。14.簡(jiǎn)述納米催化1.納米粒子的化學(xué)催化化學(xué)催化的作用主要可歸結(jié)為3個(gè)方面：一是提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)效率；二是決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性，例如只進(jìn)行氫化，脫氫反應(yīng)，不發(fā)生氫化分解和脫水反應(yīng)；三是降低反應(yīng)溫度。納米粒子作為催化劑必須滿足上述的條件。納米粒子的催化作用不僅表現(xiàn)為高活性，而且還提高了化學(xué)反應(yīng)的選擇性2.半導(dǎo)體納米粒子的光催化半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指在光的照射下，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的孔穴把周圍環(huán)境中的烴基電子奪過來，短基變成自由基，作為強(qiáng)氧化劑將酯類變化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了對(duì)有機(jī)物的降解。納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多。最近十幾年來，半導(dǎo)體光催化在應(yīng)用中得到飛快的發(fā)展。3.納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用，也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥中，增加爆炸效率，也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。15.國(guó)內(nèi)外制備核-殼材料的主要研究小組德國(guó)的FrankCaruso小組；美國(guó)EgonMatijevic，YouNanXia小組；以色列的A.Gedanken小組，西班牙的LuisM.liz-Marzan小組等，國(guó)內(nèi)的吉林大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京化學(xué)所、長(zhǎng)春應(yīng)化所等單位。16.核-殼結(jié)構(gòu)材料的分類與作用機(jī)理按包覆類型：微米-亞微米包覆、微米-納米包覆、亞微米-納米包覆、納米-納米包覆、微米-微米包覆。核-殼結(jié)構(gòu)材料核材和殼材之間的作用機(jī)理（1）化學(xué)鍵作用機(jī)理、（2）靜電相互作用機(jī)理、（3）吸附層媒介作用機(jī)理（1）化學(xué)鍵作用機(jī)理熒光粉Ca0.8Sr0.2S:Eu2+,Tm3+的表面通過化學(xué)鍵的作用包覆ZnO,Al2O3（2）靜電相互作用機(jī)理PS顆粒表面通過靜電作用包覆CdTe如:LBL技術(shù)主要采用靜電作用機(jī)理，根據(jù)相反電荷的物質(zhì)的相互吸引作用完成包覆（3）吸附層媒介作用機(jī)理17.核-殼結(jié)構(gòu)材料的制備技術(shù)（1）無機(jī)/有機(jī)核-殼結(jié)構(gòu)材料1）乳液聚合（SiO2/PS）2）原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法（ATRP）3）自組裝法(2)有機(jī)/有機(jī)核-殼結(jié)構(gòu)材料1）沉積聚合（poly(DVB-55)/poly(EGDMA-co-DVB-80)