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文檔簡介

第一章1.什么是納米?納米是一個長度計量單位,1納米=米。2.什么是納米結(jié)構(gòu)?納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ),按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝一種新的體系,它包括一維、二維和三維體系。3.什么是納米材料?納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(10-9~10-7m)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料4.什么是納米技術(shù)?在納米尺寸上對物質(zhì)和材料進行研究處理的技術(shù)稱為納米技術(shù)。納米技術(shù)本質(zhì)上是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。納米技術(shù)是一門高新技術(shù),它對21世紀材料科學和微型器件技術(shù)的發(fā)展具有重要影響,納米技術(shù),就是要做到,從小到大,從下到上。要什么東西,將分子、原子搭起來,就是什么東西,原材料浪費為零,能耗降到極低,徹底從技術(shù)上解決了環(huán)保問題。5.什么是納米科學?在納米尺度上研究材料的制備及其性質(zhì)、現(xiàn)象的科學。6.什么是納米科學技術(shù)?納米科學技術(shù)就是Nano-ST,是制造和研究納米尺度(~m)的器件和材料科學技術(shù)。它包括:(1)創(chuàng)造和制備各種新型具有優(yōu)異性能的納米材料;(2)設(shè)計、制備各種納米器件和裝置;(3)探測分析納米材料,器件的結(jié)構(gòu),性質(zhì)及其相互關(guān)系和機理7.什么是納米科技特點、意義?納米科技特點:交叉性、綜合性。納米科技的意義:它是現(xiàn)代科學(量子力學、介觀物理、混沌物理、分子生物學等)和現(xiàn)代技術(shù)(計算機技術(shù),掃描探針顯微術(shù),電子束和電鏡技術(shù)、激光技術(shù)和核分析技術(shù)等)結(jié)合的產(chǎn)物。納米科技與其它學科的交叉又將引發(fā)一系列新的學科、技術(shù)、如納米電子學、納米生物學、納米材料學和納米機械學等。納米材料和結(jié)構(gòu)是這些分支學科的共同交點。8.敘述納米材料研究的三個階段。第一階段(1900年以前):主要是在實驗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),研究評估表征的方法,探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料,國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。第二階段(1994年前):人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能,設(shè)計納米復(fù)合材料,通常采用納米微粒與納米微粒復(fù),納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三階段(從1994年到現(xiàn)在):納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注,正在成為納米材料研究的新的熱點。第二章1.什么是原子團簇?納米微粒?原子團簇,簡稱團簇,是由幾個乃至上千個原子、分子或離子通過物理和化學結(jié)合力組成相對穩(wěn)定的聚集體,其物理和化學性質(zhì)隨著所含的原子數(shù)目不同而變化。納米微粒,是指顆粒尺寸一般在1—100nm之間的粒狀物質(zhì),它的尺度大于原子簇,小于通常的微粉。早期稱為超微粒子。2.人造原子?人造原子與真正原子的不同之處所謂人造原子是由一定數(shù)量的實際原子組成的具有顯著量子力學特征的人造聚集體,它們的尺寸小于100nm,是20世紀90年代提出來的一個新概念。人造原子與真正原子的不同之處:(1)人造原子含有一定數(shù)量的真正原子;(2)形狀和對稱性多種多樣(形貌),真正原子可用球形或立方形描述;(3)電子間強交互作用比實際原子復(fù)雜得多(多電子交互作用)。(4)隨著原子數(shù)目增加,電子軌道間距減小,強庫侖排斥、系統(tǒng)限域效應(yīng)和泡利不相容原理使電子自旋朝同樣的方向有序排列。(5)實際原子中電子受原子核吸引作軌道運動,而人造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中,具有向勢阱底部下落趨勢。由于庫侖排斥作用,部分電子處于勢阱上部,弱的束縛使它們具有自由電子特征。3.簡述C60的發(fā)現(xiàn)、命名、研究歷史。發(fā)現(xiàn)和命名:上世紀70年代,俄羅斯科學家D.A.Bochvar和E.G.Galpern以及美國R.A.Davidson等提出了碳多面體的設(shè)想。之后D.R.Huffman和羅爾芬都在實驗過程中產(chǎn)生了C60,可惜沒有提出C60的觀點。1985年,Smalley與Kroto在實驗室中發(fā)現(xiàn)了C60被命名為Buckminsterfullerene,即巴克明斯特富勒烯,簡稱Fullerene即富勒烯,或用富勒的名字稱為Buckyball即巴基球。因C60酷似英式足球,所以又稱為研究歷史:在早期的研究中,注重富勒烯C60分子結(jié)構(gòu)、電子能級結(jié)構(gòu)、化學鍵、的理論和實驗研究。隨著制備技術(shù)的發(fā)展,克量級C60材料的合成,對固體狀態(tài)下的C604.查閱資料了解C60晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的的研究方法。研究C60晶體結(jié)構(gòu)的方法主要有:衍射法(X5.簡述合成碳納米管的方法(至少三種)電弧放電法(Arc-ChargeMethod(Iijima):該方法是在真空反應(yīng)室中充以一定壓力的惰性保護氣體,采用面積較大的石墨棒(直徑為20mm)作陰極,面積較小的石墨棒(直徑為10mm)為陽極,在電極間加電壓,兩石墨棒電極靠近,引起電弧,再拉開,以保持電弧穩(wěn)定。在電弧放電過程中,兩石墨電極間總是保持1mm的間隙,放電過程中陽極溫度相對陰極較高,所以陽極石墨棒不斷被消耗,在陰極沉積出含有NTs、Fullerenes、石墨微粒、無定形碳等組成的煙灰(Soot)。激光燒蝕法(LaserAblationMethod(Smalley):在1200度的爐中用激光蒸發(fā)碳靶,采用Co-Ni或Fe-Ni做催化劑,照射過程中通入氬氣作載氣,激光蒸發(fā)出的碳原子或原子團在載氣中互相碰撞形成碳納米管,載氣將形成的碳納米管從高溫區(qū)帶到水冷的Cu集電極?;瘜W氣相沉積法(ChemicalVaporDepositionMethod):將有機氣體(如乙炔、乙烯等)混以一定比例的氮氣作為壓制氣體,通入事先除去氧的石英管中,在一定的溫度下,在催化劑表面裂解形成碳源,碳源通過催化劑擴散,在催化劑后表面長出碳納米管,同時推著小的催化劑顆粒前移。直到催化劑顆粒全部被石墨層包覆,碳納米管生長結(jié)束。6、簡述碳納米管的結(jié)構(gòu)特征。答:碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級,軸向尺寸可達微米量級)的一維量子材料,具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征,一般管的兩端有端帽封口。碳納米管的管身是準圓管結(jié)構(gòu),由六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成,

端帽部分為含五邊形和六邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)。管壁由類石墨微晶的碳原子SP2雜化與周圍三個碳原子完全鍵合而成的六邊形碳環(huán)構(gòu)成。碳納米管的彎曲部位是由五邊形和七邊形的碳環(huán)組成的。當六邊形逐漸延伸出現(xiàn)五邊形時碳納米管就會凸出,七邊形出現(xiàn)則會使其凹進。如果五邊形出現(xiàn)在碳納米管的頂端則成為碳納米管的封口。7.簡述碳納米管的應(yīng)用。(1)在場發(fā)射管(平板顯示器);(2)原子力顯微鏡針尖;(3)化學傳感器;(4)信息存儲(5)超級電容器;(6)鋰離子電池;(7)碳納米管復(fù)合材料;(8),碳納米管儲氫;(9),CNTs還可作在污水處理時的高效吸附凈化劑、分離不同離子的吸附劑等;由于納米碳管特別是SWNT具有極小的直徑,可用作氣體凝固吸附材料;碳納米管可用于制造催化劑和吸附劑;納米裝置(納米機器人)、超大規(guī)模集成電路散熱襯托材料、計算機芯片導(dǎo)熱板、一維導(dǎo)線、納米同軸電纜、分子晶體管、電子開關(guān);美容材料、防彈背心、抗震建筑等。8、思考題:成分-結(jié)構(gòu)-應(yīng)用三者的關(guān)系有什么樣的微觀組分就有什么樣的微觀結(jié)構(gòu),當然要符合合理的鍵長鍵角,符合一定的數(shù)學規(guī)律;而微觀結(jié)構(gòu)又決定了性質(zhì),性質(zhì)是與產(chǎn)品的應(yīng)用價值息息相關(guān)的。例如平滑的結(jié)構(gòu)(類似石墨)就可以做潤滑劑,堅固牢靠的結(jié)構(gòu)就可以做高應(yīng)力材料(類似金剛石)。第三章1、解釋下列概念:晶體、晶粒、晶界、相圖、點缺陷、線缺陷、面缺陷、晶格、晶向。答:晶體:原子按照某種特定方式在三維空間內(nèi)周期性的規(guī)則重復(fù)排列,長程有序,具有平移周期不變性的固體;晶粒:在多晶體中,不同位向的小晶體;晶界:

晶界是結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面;相圖:描寫系統(tǒng)狀態(tài)或相變與成分、溫度、壓力關(guān)系的圖解;點缺陷:0維,空位、間隙原子和異類原子;線缺陷:一維,位錯;面缺陷:二維,晶界、相界、表面;晶格:陣點用一系列相互平行的直線連接形成的空間格架;晶向:空間點陣中各陣點列的方向,代表原子列的方向。代表了相互平行、方向一致的一組晶向。2、舉例說明晶向和晶面指數(shù)化過程。答:晶向指數(shù)化過程:建立坐標系(以某一陣點為原點O,以三個基矢為坐標軸,以晶胞邊長作為坐標軸的長度單位);作直線OP(平行于待標定的晶向或晶向直線通過坐標原點);確定通過原點直線上任一點的坐標值并化為最小整數(shù)[UVW];常用晶向有:晶面指數(shù)化過程:建立坐標系;確定晶面在各坐標軸上的截距;取截距的倒數(shù),并化為最小的簡單整數(shù)(hkl)。同指數(shù)晶向和晶面相互垂直;方向和符號相關(guān);位置和倍數(shù)相關(guān)。3、相圖在納米材料制備過程中起什么作用?答:可根據(jù)制品主要性能要求及生產(chǎn)狀況,利用相圖來選取原料,檢查和調(diào)整工藝參數(shù)。4、納米固體材料和常規(guī)材料有何不同?答:納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型,或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面,如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界,原子的擴散系數(shù)要比大塊常規(guī)材料高1014~1016倍,從而使得納米材料具有高韌性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點,但又具有脆性和難以加工等缺點,納米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性,改善脆性。第四章1.敘述納米金屬粒子的能帶結(jié)構(gòu)與塊體金屬材料能帶結(jié)構(gòu)的不同之處。答:宏觀尺度的金屬材料在高溫條件下,其能帶可以看作是連續(xù)的;納米粒子能帶具有離散性。2.敘述納米材料的基本效應(yīng)。答:eq\o\ac(○,1)尺寸效應(yīng)(量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)):當粒子尺寸下降到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象;納米半導(dǎo)體顆粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未被占據(jù)分子軌道能級(LUMO),能隙變寬的現(xiàn)象,均稱為量子尺寸效應(yīng);當超細顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長、以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時,晶體周期性的邊界條件將被破壞;非晶態(tài)納米顆粒的顆粒表面層附近原子密度減小,導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。eq\o\ac(○,2)表(界)面效應(yīng):納米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相當大的比例。由于表面原子數(shù)增多,原子配位不足及高的表面能,使這些表面原子具有高的化學活性,催化活性,吸附活性。表面效應(yīng)是指納米粒子表(界)面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。此外還有eq\o\ac(○,3)量子效應(yīng)(宏觀量子隧道效應(yīng)、庫侖堵塞與量子隧穿)eq\o\ac(○,4)介電限域效應(yīng)第五章1、敘述納米刻蝕技術(shù)和自組裝技術(shù)答:eq\o\ac(○,1)納米刻蝕技術(shù)是用光線或電子束等削除大片材料,從而留下所需要的微細圖形結(jié)構(gòu)。分為:一、極紫外光刻(EUVL)和X射線光刻(XRL):極紫外光刻是指用波長范圍為11~14nm的光,經(jīng)過周期性多層膜反射鏡,照射到反射掩模上,反射出的EUV光再經(jīng)過投影系統(tǒng),將掩模圖形形成在硅片的光刻膠上;x射線光刻是將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅表面的光刻膠上;二、電子束刻蝕(EBL)和離子束刻蝕(IBL):電子束刻蝕是指以電子束作為集成電路的刻蝕手段;離子束刻蝕是指對被加工工件進行物理濺蝕,以實現(xiàn)原子級的微細加工;三、納米壓印技術(shù)(NIL):將具有納米圖案的模版以機械力(高溫、高壓)壓在涂有高分子材料的硅基板上,等比例壓印復(fù)制納米圖案,進行加熱或紫外照射,實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移;四、其他幾種納米刻蝕技術(shù):有納米掩膜刻蝕技術(shù),基于掃描探針顯微鏡(SPM)的納米刻蝕技術(shù),蘸筆納米印刷術(shù)(DPN)eq\o\ac(○,2)納米材料的自組裝是在合適的物理、化學條件下,原子、分子、粒子和其他結(jié)構(gòu)單元,通過氫鍵、范德瓦爾斯鍵、靜電力等非共價鍵的相互作用、親水-疏水相互作用,在系統(tǒng)能量最低性原理的驅(qū)動下,自發(fā)地形成具有納米結(jié)構(gòu)材料的過程。分為:一、表面活性劑分子的自組裝:表面活性劑也稱作表面活性試劑,是頭部至少有一個親水性基團,尾部有一個疏水性基團的分子。在低濃度下,這些分子能吸附在表面或界面上來大大降低表面能;二、微乳液法自組裝:也叫表面活性劑模板法。表面活性劑分子在溶液中可以聚集形成膠團(反膠團)、微乳液(反相微乳液)、液晶及囊泡等多種;三、利用范德瓦爾斯力自組裝:將兩種不同材料的納米粒子靠微弱的范德瓦爾斯力結(jié)合形成有序的二元超晶格結(jié)構(gòu)(BNSL),為同時將各種納米粒子自組裝為化學組成和粒子間的相關(guān)位置可控的聚集體提供了可能,將各種不同的半導(dǎo)體、磁性和金屬的納米粒子(比如金、銀、鈀等)自組裝可以得到多種不同的BNSL結(jié)構(gòu)(利用雙十二烷基二甲基溴化銨DDAB、三辛基銨等分別做穩(wěn)定劑),例如用Fe2O3和Au的納米粒子自組裝為NaCl型的超晶格結(jié)構(gòu);四、利用靜電引力自組裝:沿著[0001]方向生長的ZnO納米帶的兩側(cè)具有不同的電性,鋅原子富集的一側(cè)表現(xiàn)出正電性,而氧原子富集的另外一側(cè)表現(xiàn)出負電性。于是,在靜電力的誘導(dǎo)下,這種一維的納米帶結(jié)構(gòu)會自組裝成三維右手螺旋狀結(jié)構(gòu);五、模板法自組裝:用液態(tài)的前驅(qū)物將模板球之間的空隙填滿,引發(fā)反應(yīng)后再除去模板球,即可合成出具有大孔徑的有序結(jié)構(gòu);六、氣相催化自組裝:將同質(zhì)一維納米材料或晶格匹配度高的異質(zhì)一維納米材料組裝在一起,形成三維復(fù)雜有序納米等級結(jié)構(gòu);七、利用表面張力和毛細管力自組裝:在液體的表面或者體相中,通過表面張力或者毛細管力的作用,可以將一維納米材料自發(fā)地組裝為微米尺度的有序結(jié)構(gòu);八、取向搭接自組裝:在內(nèi)部驅(qū)動力比較微弱的情況下,納米晶體粒子會以相同的晶面互相結(jié)合在一起形成有序的圖案。2、敘述有序納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用答:一、電子器件研究領(lǐng)域的應(yīng)用:利用改變分子結(jié)構(gòu)的方式,將記憶位元壓印到每個分子群上,接著,分三個步驟制成一塊由可開關(guān)分子材料隔離的交叉矩陣電路。并將通過金屬線路的電流導(dǎo)入分子群中。改變分子結(jié)構(gòu),會將分子的電阻系數(shù)變成一萬。因此,利用分子開關(guān)改變電子結(jié)構(gòu)后,測量分子狀態(tài),可形成電腦所用的0和1的變化;二、光學器件研究領(lǐng)域的應(yīng)用:采用多孔氧化鋁模板制備了聚3,4-乙烯基二硫酚(PEDOT)納米管有序陣列,設(shè)計了電致發(fā)光顯示裝置。他們發(fā)現(xiàn),這種顯示裝置能耗較低,尤為重要的是,超薄的PEDOT納米管壁(10~20nm)使得此裝置具有快速的圖像轉(zhuǎn)化能力(小于10ms),能夠與活動圖像顯示技術(shù)相匹配,長長的納米管為顯示器提供了飽和的色彩;三、磁學器件研究領(lǐng)域的應(yīng)用:納米線陣列的易磁化軸垂直于模板的表面,即與納米線平行,外加磁場平行于樣品表面與垂直于納米線的矯頑力分別為330Oe和1040Oe(塊體鎳的矯頑力為0.7~1Oe)。由于形狀各向異性及單疇的共同作用,使得鎳磁性納米線陣列矯頑力相對于塊材大大增強;四、環(huán)境檢測研究領(lǐng)域的應(yīng)用:利用B和P精確摻雜的硅納米線作為構(gòu)筑單元組裝成三類半導(dǎo)體納米裝置。由p型和n型納米線交叉形成的無源二極管結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了比塊體p-n結(jié)更好的電流整流傳輸行為,利用這種大的柵壓效應(yīng),可以制造超精度的化學和生物傳感器;五、高效能量轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域的應(yīng)用:具有表面極性的ZnO納米帶,其尺寸為5~30nm厚,寬100~300nm,幾十微米長。這種納米帶上下一對寬的表面具有正負相反的極性,并沿厚度方向能產(chǎn)生自發(fā)極化,這是一種具有壓電效應(yīng)的納米帶,是一種非常理想的機電耦合材料,在微/納米機電系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用價值;六、催化研究領(lǐng)域的應(yīng)用:催化劑:由硫醇保護的Au納米粒子(2nm和5nm)有序陣列,在電位的活化下,能夠?qū)O進行催化氧化。氧化能力與粒子的大小及所包覆的有機分子層的參數(shù)有關(guān);催化劑載體:有序大孔或微孔材料是催化劑載體的重要材料。對于納米催化劑而言,其催化性能與粒子的尺度有很大的關(guān)系。將催化劑固定在有序孔中,可以防止催化劑在多次催化過程中凝結(jié)成塊,使其能夠在較長的時間內(nèi)發(fā)揮材料的催化性能,防止催化劑失效;七、醫(yī)學研究領(lǐng)域的應(yīng)用:有序納米結(jié)構(gòu)薄膜在生物檢測和診斷方面起著十分重要的作用。以無機納米粒子有序陣列和有機單分子膜為基底,用于識別、固定、配對生物活性物種,可以達到檢測和操縱生物活性分子的目的。第六章1、納米材料與塊體材料力學性質(zhì)有何不同?解釋其可能的原因。答:納米材料與塊體材料力學性質(zhì)的區(qū)別:1.超塑性:超塑性的機制目前尚不十分清楚,有兩種說法:一是界面擴散蠕變和擴散范性;二是晶界遷移和粘滯流變。一般而言,當界面中原子的擴散速率大于形變速率時,界面表現(xiàn)為塑性,反之界面表現(xiàn)為脆性。納米材料中界面原子的高擴散性是有利于其超塑性的。2.硬度和強度:納米陶瓷未經(jīng)燒結(jié)的生坯強度和硬度都比常規(guī)陶瓷材料低的多,原因是致密度很低。為提高致密度,增加斷裂強度,一是燒結(jié),二是加入添加劑進一步提高燒結(jié)致密化。對二氧化鈦來說,對應(yīng)于同樣燒結(jié)溫度,納米陶瓷硬度均高于常規(guī)陶瓷。3.反常的Hall-Petch關(guān)系:eq\o\ac(○,1)三叉晶界的影響,三叉晶界處原子擴散快、動性好,三叉晶界實際上就是旋錯,旋錯的運動就會導(dǎo)致界面區(qū)的軟化,對納米晶材料來說,這種軟化現(xiàn)象就使納米晶材料整體的延展性增加,用這樣的分析很容易解釋納米晶材料具有的反H—P關(guān)系,以及K值的變化.=2\*GB3②界面的作用。納米晶粒尺寸減小,高密度的晶界導(dǎo)致晶粒取向混亂,界面能量升高.對蒸發(fā)凝聚原位加壓法獲得的試樣,考慮這個因素尤為重要。這時界面原子動性大,這就增加了納米品材料的延展性(軟化現(xiàn)象).=3\*GB3③存在臨界尺寸,Gleiter等人認為在一個給定的溫度下納米材料存在一個臨界的尺寸,低于這個尺寸界面粘滯性增強,這就引起材料的軟化,高于臨界尺寸,材料硬化.他們把這個臨界尺寸稱為“等粘合晶粒尺寸”。2、納米材料與塊體材料光學性質(zhì)有何不同?并用能帶結(jié)構(gòu)解釋其可能的原因。答:納米相材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)的晶態(tài)和非晶態(tài)體系有很大的差別,表現(xiàn)為:小尺寸、能級離散性顯著、表(界)面原子比例高、界面原子排列和鍵的組態(tài)的無規(guī)則性較大等。這些特征導(dǎo)致納米材料的光學性質(zhì)出現(xiàn)一些不同于常規(guī)晶態(tài)和非晶態(tài)的新現(xiàn)象。大塊金屬具有不同顏色的金屬光澤,表明它們對可見光范圍各種顏色(波長)的光的反射和吸收能力不同。而當尺寸減小到納米級時,各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色。它們對可見光的反射率極低,而吸收率相當高。納米材料較塊體材料的特性具體表現(xiàn)為:量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)引起的藍移,和一系列原因引起的紅移。引起藍移:量子尺寸效應(yīng):即顆粒尺寸下降導(dǎo)致能隙變寬,從而導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向。這里給出解釋是:已被電子占據(jù)的分子軌道能級(HOMO)與未被電子占據(jù)的分子軌道能級(LUMO)之間的寬度(能隙)隨顆粒直徑的減小而增大,從而導(dǎo)致藍移現(xiàn)象。這種解釋對半導(dǎo)體和絕緣體均適用。表面效應(yīng):納米顆粒大的表面張力使晶格畸變,晶格常數(shù)變小。對納米氧化物和氮化物的研究表明,第一近鄰和第二近鄰的距離變短,鍵長的縮短導(dǎo)致納米顆粒的鍵本征振動頻率增大,結(jié)果使紅外吸收帶移向高波數(shù)。引起紅移的因素很多,也很復(fù)雜,歸納起來有:(1)電子限域在小體積中運動;(2)粒徑減小,顆粒內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力(p=2/r,r為粒子半徑,為表面張力)增加,導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化,電子波函數(shù)重疊加大;(3)存在附加能級,如缺陷能級,使電子躍遷能級間距減?。?4)外加壓力使能隙減?。?5)空位、雜質(zhì)的存在使平均原子間距R增大,導(dǎo)致能級間距變小。通常認為,紅移和藍移兩種因素共同發(fā)揮作用,結(jié)果視孰強而定。隨著粒徑的減小,量子尺寸效應(yīng)會導(dǎo)致吸收帶的藍移;但是粒徑減小的同時,顆粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力會增加,而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化,電子波函數(shù)重疊加大,結(jié)果帶隙、能級間距變窄,從而引起紅移。第七章1、敘述一維納米材料合成答:目前制備一維納米材料(包括納米電纜)的方法很多,比較有代表性的有:電弧放電法、化學氣相沉積法、激光濺射法、模板法。電弧放電法是制備納米碳管最原始的方法,該方法也用于制備其它一維納米材料;化學氣相沉積法通常是指反應(yīng)物經(jīng)過化學反應(yīng)和凝結(jié)過程,生產(chǎn)特定產(chǎn)物的方法;激光濺射法也是制備一維納米材料的重要方法。激光濺射法所用的設(shè)備包括激光源、聚光鏡、目標靶、管式爐、冷卻環(huán)、真空泵和氣流閥等幾個部分組成;激光濺射法最早也是用于制備納米碳管,以后也用于制備其它一維納米材料:非模板法制備一維納米材料需要使用昂貴的設(shè)備,工序復(fù)雜,而且生產(chǎn)效率低。相比之下,模板法制備一維納米材料簡單方便,容易控制。常用的模板有碳納米管、多孔陽極氧化鋁、聚合物膜和生命分子。2、敘述納米薄膜制備方法答:制備的方法很多,比如說:(1)蒸鍍法。主要由磁控濺射、分子束外延等方法;(2)旋涂法,就是將溶膠等通過旋涂的方法制備薄膜;(3)化學法。比如采用表面氧化的方法可以制備氧化物薄膜等。第八章1.敘述納米材料形貌分析、晶體結(jié)構(gòu)分析、電子結(jié)構(gòu)分析的儀器原理答:研究納米材料的儀器有:X-射線衍射儀,高分辨透射電子顯微鏡(HREM),透射電子顯微鏡(TEM),掃描電子顯微鏡(SEM),掃描隧道顯微鏡(STM),原子力顯微鏡(AFM),俄歇電子能譜(AES),X射線光電子能譜(XPS),靜態(tài)二次離子質(zhì)譜(SIMS),離子散射譜(ISS),紅外光譜儀,紫外-可見光譜儀。1.納米材料形貌分析:=1\*GB3①掃描電子顯微鏡(SEM):掃描電鏡成像是利用細聚焦高能電子束在樣品表面掃描發(fā)出各種物理信號,如二次電子、背反射電子等。通過相應(yīng)的檢測來檢測這些信號,再將其轉(zhuǎn)換為視頻信號來調(diào)制顯像管的亮度。由于信號的強度與樣品表面的形貌、成分有對應(yīng)關(guān)系,在顯像管上就相應(yīng)獲得該面積樣品表面的形貌或成分的一副圖像。=2\*GB3②原子力顯微鏡(AFM):當原子間距離減小到一定程度以后,原子間的作用力將迅速上升。因此,由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度,從而獲得樣品表面形貌的信息。2.納米材料晶體結(jié)構(gòu)分析:=3\*GB3③透射電子顯微鏡(TEM):透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況:吸收像:當電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時,主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對電子的散射角大,通過的電子較少,像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。衍射像:電子束被樣品衍射后,樣品不同位置的衍射波振幅分布對應(yīng)于

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