陜西師范大學(xué)納米材料考試

納米材料復(fù)習(xí)題陜西師范大學(xué)材料學(xué)院2010級喻俊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姆诸悺?、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（圖）。答：碳納米管的生長機(jī)理包括V-L-S機(jī)理、表面（六元環(huán)）生長機(jī)理。（1）V-L-S機(jī)理：金屬和碳原子形成液滴合金，當(dāng)碳原子在液滴中達(dá)到飽和后開始析出來形成納米碳管。根據(jù)催化劑在反應(yīng)過程中的位置將其分為頂端生長機(jī)理、根部生長機(jī)理。頂端生長機(jī)理：在碳納米管頂部，催化劑微粒沒有被碳覆蓋的的部分，吸附并催化裂解碳?xì)浞肿佣a(chǎn)生碳原子，碳原子在催化劑表面擴(kuò)散或穿過催化劑進(jìn)入碳納米管與催化劑接觸的開口處，實(shí)現(xiàn)碳納米管的生長，在碳納米管的生長過程中，催化劑始終在碳納米管的頂端，隨著碳納米管的生長而遷移；根部生長機(jī)理：碳原子從碳管的底部擴(kuò)散進(jìn)入石墨層網(wǎng)絡(luò)，擠壓而形成碳納米管，底部生長機(jī)理最主要的特征是：碳管一末端與催化劑微粒相連，另一端是不含有金屬微粒的封閉端；（2）表面（六元環(huán)）生長機(jī)理：碳原子直接在催化劑的表面生長形成碳管，不形成合金。①表面擴(kuò)散機(jī)理：用苯環(huán)坐原料來生長碳納米管，如果苯環(huán)進(jìn)入催化劑內(nèi)部，會被分解而產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖蜌錃馔瑫r副產(chǎn)物的檢測結(jié)果為只有氫氣而沒有碳?xì)浠?。說明苯環(huán)沒有進(jìn)入催化劑液滴內(nèi)部，而只是在催化劑表面脫氫生長，也符合“帽式”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。（1）氣相法反應(yīng)機(jī)理包括：V-L-S機(jī)理、V-S機(jī)理、碳納米管模板法、金屬原位生長。V-L-S機(jī)理：反應(yīng)物在高溫下蒸發(fā)，在溫度降低時與催化劑形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔體液滴在端部不斷吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的過飽和而凝固形成納米線。V-S機(jī)理：首先沉底經(jīng)過處理，在其表面形成許多納米尺度的凹坑蝕丘，這些凹坑蝕丘為納米絲提供了成核位置，并且它的尺寸限定了納米絲的臨界成核直徑，從而使生長的絲為納米級。碳納米管模板法：采用碳納米管作為模板，在一定溫度和氣氛下，與氧化物反應(yīng)，碳納米管一方面提供碳源，同時消耗自身；另一方面提供了納米線生長的場所，同時也限制了生成物的生長方向。金屬原位生長：（2）溶液法反應(yīng)機(jī)理包括溶液液相固相、選擇性吸附。S-L-S機(jī)理：SLS法和VLS法很相似，二者的主要差別在于SLS法納米線成長的液態(tài)團(tuán)簇來源于溶液相，而VLS法則來自蒸氣相。選擇性吸附：選擇性吸附配位劑或表面活性劑，并在平行于生長方向的晶面生長。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、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。（1） 高溫氣相法：指直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，在載氣的作用下通過傳輸在反應(yīng)區(qū)冷凝，進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米顆粒的方法。高溫氣相法根據(jù)反應(yīng)原理或裝置特點(diǎn)分類：若反應(yīng)中沒有化學(xué)反應(yīng)：熱蒸發(fā)法若反應(yīng)中有化學(xué)反應(yīng)：化學(xué)氣相沉積若反應(yīng)中使用金屬氧化物：金屬有機(jī)化學(xué)沉積若反應(yīng)中有激光激發(fā)：激光燒蝕法若反應(yīng)能夠控制檢測生長速度：分子束外延技術(shù)（2） 濕化學(xué)法：有液相參加，通過化學(xué)反應(yīng)來制備材料的方法。濕化學(xué)法根據(jù)反應(yīng)原理或裝置特點(diǎn)分類：若為敞開體系：包括一般性溶液反應(yīng)若為密閉體系：水熱、溶劑熱有機(jī)溶劑參與反應(yīng)：有機(jī)溶劑回流膠體化學(xué)法：在有機(jī)相中反應(yīng)，反應(yīng)能溶于有機(jī)相形成膠體溶液。12、 什么是納米結(jié)構(gòu)，并舉例說明它們是如何分類的，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答：納米顆粒的組裝的基本思路是溶解、揮發(fā)、組裝。溶解：配制成膠體溶液揮發(fā)：自然揮發(fā)或者加入使溶質(zhì)溶解度降低的溶劑，使其從溶液中沉淀出來。組裝：人工組裝或自組裝納米團(tuán)簇的超分子化學(xué)組裝方法可分為兩類：DNA指導(dǎo)：將金屬納米粒子嫁接到DNA大分子上，這些DNA分子自身有可編程的自組裝特性，并且可派生出大量的分子、電子和光子部件。氣泡作模板：半導(dǎo)體納米粒子組裝：將包覆有機(jī)物的團(tuán)簇在一定溫度和壓力下溶解于辛烷和辛醇的混合溶液中，然后降低壓力使沸點(diǎn)較低的辛烷逐漸揮發(fā)，由于包覆的納米團(tuán)簇在辛醇中溶解度較小，就使得納米團(tuán)簇的膠態(tài)晶體從溶液中析出。金屬膠體組裝：經(jīng)表面處理后的金屬膠體表面嫁接了官能團(tuán)，它可以在有機(jī)環(huán)境下形成自組裝納米結(jié)構(gòu)。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；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、論述一維納米結(jié)構(gòu)的組裝，并介紹2種納米器件的結(jié)構(gòu)（圖）。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。包括高分子模板技術(shù)（PDMS）、A1203有序孔洞做模板。（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。例如在兩電極之間滴加一滴InP納米棒，則溶液中的納米線能在電場作用下自組裝為平行的陣列。（4） 催化劑的圖案化；通過對催化劑模板化，在有催化劑的地方反應(yīng)，沒有催化劑的地方不反應(yīng)，從而制備一定規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)材料。（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A12O3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)；納米尺度太陽能電池。15、簡單討論納米材料的磁學(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?yàn)椋涸谛〕叽缦?，?dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)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)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。這主要是當(dāng)粒子尺寸小到某一尺寸時，每一個粒子可以看做一個單磁疇，若使磁疇轉(zhuǎn)向需要較大能量。（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(shí)驗(yàn)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)為奇或偶數(shù)的粒子磁性有不同溫度特點(diǎn)。（5）納米微粒的其他磁特性：①納米金屬Fe（5nm）飽和磁化強(qiáng)度比常規(guī)a—Fe低40%,其比飽和磁化強(qiáng)度隨粒徑的減小而下降②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78?88K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；③1988年日本發(fā)現(xiàn)納米合金Fe—Si—Bi—Cu（20?50nm）具有好的軟磁性能，可用作高頻轉(zhuǎn)換器，其芯耗低至200mW/cm3，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。④Sb通常為抗磁性，其x<0，但納米微晶的X>0,表現(xiàn)出順磁性。16、介紹鐵磁材料的結(jié)構(gòu)與鐵磁性能（圖）。鐵磁材料：具有自發(fā)極化或當(dāng)外加磁場很小時即達(dá)到磁化飽和，這類材料就是鐵磁材料。基本特性：鐵磁性物質(zhì)只要在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和，不但磁化率>0,而且數(shù)值大到10—106數(shù)量級，其磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系是非線性的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。磁疇：具有相同磁化方向的小區(qū)域。磁化率：磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H磁滯回線：在磁場中，鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系可用曲線來表示，當(dāng)磁化磁場作周期的變化時，鐵磁體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系是一條閉合線，這條閉合線叫做磁滯回線。17、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（圖）。答：納米結(jié)構(gòu)單元：0維:團(tuán)簇、納米顆粒、八面體、三角形、多面體等；一維:納米線、納米棒、納米帶、納米管和納米錐等；二維:納米片等。復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)：嵌段共聚物有序的自組裝成為超分子納米結(jié)構(gòu)；多層膜；自組裝形成管狀、球狀、層狀和蘑菇狀的結(jié)構(gòu)納米器件：ZnO納米線直流發(fā)電機(jī)、光子晶體、納米棒的邏輯敏電路、納米管收音機(jī)、納米線染料敏化太陽能電池。18、簡單論述單電子晶體管的原理（圖）。答：晶體管：是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。單電子晶體管：用一個或者少量電子就能記錄信號的晶體管。原理：單電子晶體管是依據(jù)庫倫堵塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理設(shè)計和制造的一種新型的納米結(jié)構(gòu)器件，在兩個電極中間的絕緣層的中間再做一個電極，使之帶半個電荷，兩邊的電極就會感應(yīng)半個符號相反的電荷，因此可以通過電極II上電壓的變化來控制隧穿效應(yīng)的發(fā)生。電壓源物理性能：1、