Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮
催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂
提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化剂科学不可忽视的重
要研究课题。很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
（1）零维纳米材料（量子点）：空间三个维度上尺寸均为纳米尺度（载流子在三维方向上的
运动都受到限制）——纳米颗粒、原子团簇（富勒烯）
由于电子在三个维度上的运动都受到限制，在k空间中只能存在离散的态(kx, ky, kz)，相
当于倒空间中的一个点。最终能带变成类似原子的能态，仅仅存在离散的能级。
与体材料相比，量子点的带隙明显变宽，能量呈现量子化，电子态向高能方向移动。
形成隧道电流。
隧道电流对针尖与样品间的距离十分敏感。若控制隧道电流不变，则探针在垂直于样品
方向上的高度变化就能反映样品表面的起伏。因为隧道电流对针尖与样品间的距离十分敏
感。若控制针尖高度不变，通过隧道电流的变化可 得到表面电子态密度的分布。
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8. 你觉得纳米材料最有可能在哪个领域获得应用？或举例你看到的纳米材料的应用实例？
TiO2 对紫外光几乎不吸收。这些纳米氧化物对紫外光的吸收主要来源于它们的半导体性质，
即在紫外光照射下，电子被激发，由价带向导带跃迁引起的紫外光吸收。
（2）蓝移和红移现象
蓝移：与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。
红移: 在一些情况下，粒径减小至纳米级时光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”现象。即吸收
7. 什么是量子隧道效应？扫描隧道显微镜的隧道结是怎么形成的？
隧道效应是由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。考虑粒子运动遇到一
个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子时不可能穿过势垒的；按照量子力学可以解出
除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的
概率贯穿势垒。
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以此，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。利用光生电子-空穴对的还原氧化性能，
空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由
基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物；可以降低周围环境中的有机污染以
及光解水制备H2 和O2。
电子密度恒定，不论颗粒大小， 不变。所以最后能级间距随的减小而增大。
根据相邻电子能级间隔和颗粒直径的关系，金属纳米粒子粒径减小，能级间隔增大，费
米能级附近的电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。
3. 什么是化学气相沉积制备法？常用的化学气相沉积方法有哪些？优缺点分别是什么？
氢和加氢，氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等。其中有些事多相催化难以
实现的。半导体多相催化剂能有效地降解水中的有机污染物，例如纳米TiO2 ，既有较高的光
催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。
已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO/SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu −
可以做AES mapping看元素在制定区域的整体分布，形貌表征可以借助AFM测边缘的厚度，
STM获得原子尺度的形貌结构和原子分辨图像。
11. 纳米材料的光学特性
光学特性主要表现为如下几方面：
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（1）宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的光泽。表明对可见光(各种颜色或波长)的反射和吸收能力不同。
效应，原大块金属的准连续能级产生离散现象。
2
4
=
=
)
(
3
式中为能级间距，为一个超微粒的总导电电子数，为超微粒体积， 为费米能级。
当粒子为球体时，δ ∝ 1⁄ 3 。
纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应地含有的总导电电子数也会减小；在
超微粒子电中性假设下，对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的，所以只要
除了能级离散外，有限零点能量的发生也很重要。即使在基态的某一点，导带带边的电
子能量高于体相电子。
（2）一维纳米材料（量子线）
：空间二个维度上尺寸为纳米尺度（载流子在一个方向上
可以自由运动，在其它两个方向上的运动变得量子化）——纳米丝、纳米棒、纳米管
（碳纳米管）

6. 什么是拉曼效应？拉曼光谱的基本原理是什么？（不用画图，语言描述即可）
1928年，印度科学家C. V. Raman首先在CCl4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部
分光的波长会发生改变（颜色发生变化）
。通过对这些颜色发生变化的散射光的研究，可以
得到分子结构的信息。因此这种效应被命名为Raman效应。
现完全分离的能级。
2. 纳米颗粒随着尺寸的减小其电子结构将发生什么样的变化，粒径和能级间距遵循什么原
理？请简单论述。（公式，原理解释）
随着尺寸减小，能级间隔增大，准连续的能带变为分离的能级。
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粒径和能级间距遵循久保理论。久保理论：当微粒尺寸进入到纳米级时，由于量子尺寸
其基本原理如下图所示。当一束单色光入射时，若入射光子与电子的相互作用仅为弹性
散射，则散射光频率与入射光频率0 相同，即为瑞利散射；若光子与电子发生非弹性散射，
那么散射光频率就会大于或小于入射光频率0 ，变为0 ± Δ。此过程称为拉曼散射。其中
0 − Δ谱线称为斯托克斯线，0 + Δ谱线称为反斯托克斯线。发生拉曼散射时，频率差Δ
=
∝1·
=


√ √
可以想像所有态都是平行于kx轴的线，这些线在ky和kz方向上是离散的，但是在每一条
线中kx态的分布是准连续的。因此，它们只能在离散的导电通道中输运。
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（3）二维纳米材料（二维电子气）
：只在空间一个维度上尺寸为纳米尺度（电子在z方向上
的运动变得量子化，在x，y平面自由运动的准连续能级）——纳米薄膜、多层薄膜（石墨烯）
() ()
1
=
∝ √ ·
=1


√
由于在能带中存在更少的能级，能级间距明显增大。例如，存在不可忽略的零点能量。
在最低能量 E1 处，态密度不为 0，与体材料不同。
在二维材料中能级仍然是准连续的，但是态密度是一个阶跃函数。这样，态密度就成为
不稳定，很容易与其他原子结合。
5. 什么是光催化，列举一种纳米光催化材料并简述其工作原理？
在光的照射下，通过把光能转变成化学能，促进有机物的合成或使有机物降解的过程称
为光催化。
纳米TiO2 是一种典型的光催化材料，它是一种n型半导体氧化物，其光催化原理可用半
导体能带理论解释。半导体在大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带位置，
段可以实现组分和形貌的识别？
如果是面内拼接，可以从SEM中看到两种材料的形貌和衬度差别，石墨烯通常是六边形
结构，衬度偏黑；而氮化硼通常是三角形，衬度偏白，衬度上的差异主要是两种材料的导电
性不同引起的。如果是层间堆垛，在SEM下只能看出衬度有差别，但无法判断细节，这时需
要结合其他手段。组分表征可以采用XPS，层间堆垛结构的B、N峰的强度比面内的要高，也
活性。
随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧增高，使处于表面的原子数
也急剧增加，平均配位数急剧下降。
由于纳米晶体材料中含有大量的晶界，因而晶界上的原子占有相当高的比例。
由于表层原子的状态与本体中不同，表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。
由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极
一些台阶，对于一个子带，态密度为常数。
2 () =
（4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块体材料（石墨）
(2)3⁄2

=
√
V
2 2 ℏ3
电子的能态密度并不是均匀分布的，电子能量越高，能态密度就越大。
() =
总之，电子能态密度与尺度的关系为：随着尺度的降低，准连续能带消失，在量子点出
9. XPS和UPS在原理上的主要区别是什么？他们的探测深度是多少？（画图，描述光电效应）
XPS采用能量为1000 − 1500eV的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合
能是有特征性的，因此可以用来鉴别化学元素，不能分辨出分子、离子的振动能级。XPS用
的是软射线，用来检测物质浅层表面，探测深度一般为7 − 10nm的范围。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表
面边界处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减长度约为1nm。只要将原子线度
的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时，它们的
表面电子云就可能重叠。若在样品与针尖之间加一微小电压 电子就会穿过电极间的势垒
高纯度
阶梯覆盖能力极佳
产量高
适合于大规模生产
高温沉积
低沉积速率
PECVD
等离子体增强CVD
低温制程
高沉积速率
阶梯覆盖性好
化学污染
粒子污染
4. 请论述为什么纳米材料具有较高的表面活性？
纳米粒子的表面原子所处的晶体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，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学
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课程名称：纳米材料科学与技术
2015-2016 学年第（1）学期期末