江苏师范大学科文学院2017版纳米技术复习资料

1、 什么是纳米科学技术？什么是纳米科学技术？ 定义：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。 2 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？ 纳米材料纳米材料(Nanomaterials)(Nanomaterials)的定义的定义: : 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。 按结构维度按结构维度( the number of dimensions( the number of dimensions）分为）分为 5 5 类：类： (1)零维材料 quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2)一维材料—线径为 1—100 nm 的纤维(管)。 (3)二维材料—厚度为 1 — 100 nm 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 3、、 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有哪些？ 制造纳米产品的技术路线可分为两种：制造纳米产品的技术路线可分为两种： ―自上而下‖ (top down)：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‖ (bottom up) ：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。 4 4、、 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，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； 二是纳米结构自组装体系。 人工纳米结构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。 5 5、合成纳米碳管的常有方法有哪些？、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 6、单壁碳管按结构可以分为哪几类？、单壁碳管按结构可以分为哪几类？ 扶手椅型、锯齿型、螺旋型 7 7、何谓准一维纳米材料？ 、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。 8. 8. 纳米材料的效应纳米材料的效应: : 表面效应表面效应: :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。 9. 9.纳米颗粒熔点下降的原因是什么？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。 10.10. 纳米结构材料高的介电常数的原因是什么？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。 11.11. 为什么纳米材料出现红外吸收谱宽化现象？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。 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