纳米材料复习题陕西师范大学材料学院2010级喻俊1、简单论述纳米材料的定义与分类。

2、什么是原子团簇? 谈谈它的分类。

3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径?4、论述碳纳米管的生长机理（图）。

答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。

（1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。

根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。

①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移；②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端；（2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。

①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。

说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。

5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。

（1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。

①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。

②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。

③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。

④金属原位生长：（2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。

①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。

②选择性吸附：选择性吸附配位剂或表面活性剂，并在平行于生长方向的晶面生长。

6、解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。

7、论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。

8、什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？9、讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。

10、纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。

11、论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。

（1）高温气相法：指直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，在载气的作用下通过传输在反应区冷凝，进一步发生物理化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米颗粒的方法。

高温气相法根据反应原理或装置特点分类：①若反应中没有化学反应：热蒸发法②若反应中有化学反应：化学气相沉积③若反应中使用金属氧化物：金属有机化学沉积④若反应中有激光激发：激光烧蚀法⑤若反应能够控制检测生长速度：分子束外延技术（2）湿化学法：有液相参加，通过化学反应来制备材料的方法。

湿化学法根据反应原理或装置特点分类：①若为敞开体系：包括一般性溶液反应②若为密闭体系：水热、溶剂热③有机溶剂参与反应：有机溶剂回流④胶体化学法：在有机相中反应，反应能溶于有机相形成胶体溶液。

12、什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，自组装纳米结构形成的条件是什么。

13、简单讨论纳米颗粒的组装方法答：纳米颗粒的组装的基本思路是溶解、挥发、组装。

溶解：配制成胶体溶液挥发：自然挥发或者加入使溶质溶解度降低的溶剂，使其从溶液中沉淀出来。

组装：人工组装或自组装纳米团簇的超分子化学组装方法可分为两类：①DNA指导：将金属纳米粒子嫁接到DNA大分子上，这些DNA分子自身有可编程的自组装特性，并且可派生出大量的分子、电子和光子部件。

②气泡作模板：③半导体纳米粒子组装：将包覆有机物的团簇在一定温度和压力下溶解于辛烷和辛醇的混合溶液中，然后降低压力使沸点较低的辛烷逐渐挥发，由于包覆的纳米团簇在辛醇中溶解度较小，就使得纳米团簇的胶态晶体从溶液中析出。

④金属胶体组装：经表面处理后的金属胶体表面嫁接了官能团，它可以在有机环境下形成自组装纳米结构。

⑤胶态晶体法：是利用胶体溶液的自组装特性使纳米团簇组装成胶态晶体，得到二维或三维的超晶格；⑥模板法：是利用纳米团簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的组装，由于选定的组装模板与纳米颗粒之间的识别作用，而使得模板对组装过程具有指导作用，组装过程更完善；14、论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构（图）。

答：一维纳米结构的组装：（1）模板法组装纳米结构：将流体组装技术与表面模板技术结合在一起成功地将一维纳米结构组装成平行阵列。

包括高分子模板技术（PDMS）、Al2O3有序孔洞做模板。

（2）L-B技术表面压力组装纳米棒阵列：通过表面张力的递增，使原本无序排列的各向同性的纳米棒首先排列成二维向列性排布，继而排列成二维近晶性的有序结构，多层这种二维结构叠加在一起，最终得到三维排列的有序纳米棒的阵列，3D－向列。

（3）电场驱动组装：采用电场驱动组装的方法将纳米线的组装与其半导体性质的测量联系起来。

例如在两电极之间滴加一滴InP纳米棒，则溶液中的纳米线能在电场作用下自组装为平行的阵列。

（4）催化剂的图案化；通过对催化剂模板化，在有催化剂的地方反应，没有催化剂的地方不反应，从而制备一定规则的纳米结构材料。

（5）其他方法：eg加热ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳衬底或Si衬底上生长分级纳米结构；以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多晶Al2O3衬底上分别得到了ZnO螺旋桨状纳米结构。

2种纳米器件的结构：ZnO纳米线直流发电机；纳米管收音机；纳米尺度太阳能电池。

15、简单讨论纳米材料的磁学性能。

答：纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规晶粒材料所不具备的磁特性——超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、高比磁化率等。

（1）超顺磁性：纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，原因为：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向做无规律的变化，结构导致超顺磁性的出现，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。

（2）矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。

这主要是当粒子尺寸小到某一尺寸时，每一个粒子可以看做一个单磁畴，若使磁畴转向需要较大能量。

（3）居里温度：居里温度为物质磁性的重要参数，通常与交换积分成正比，并与原子结构和间距有关。

对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。

对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。

（4）磁化率：纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。

每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。

一价金属的粉体，一半粒子的宇成为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇成为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。

（5）纳米微粒的其他磁特性：①纳米金属Fe（5nm）饱和磁化强度比常规α－Fe低40％，其比饱和磁化强度随粒径的减小而下降②单晶FeF2由顺磁转变为反铁磁的奈耳温度范围很窄，只有2K，而纳米FeF2（10nm）在78～88K由顺磁转变为反铁磁，即有一个宽达12K的奈耳温度范围；③1988年日本发现纳米合金Fe－Si－Bi－Cu（20～50nm）具有好的软磁性能，可用作高频转换器，其芯耗低至200mW／cm3，有效磁导率高于108。

当晶粒度大于100nm时，上述软磁性能消失。

④Sb通常为抗磁性，其χ＜0，但纳米微晶的χ＞0，表现出顺磁性。

16、介绍铁磁材料的结构与铁磁性能（图）。

铁磁材料：具有自发极化或当外加磁场很小时即达到磁化饱和，这类材料就是铁磁材料。

基本特性：铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率>0，而且数值大到10－106数量级，其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。

磁畴：具有相同磁化方向的小区域。

磁化率：磁化强度M与磁场强度H磁滞回线：在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。

17、目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。

并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性能（图）。

答：纳米结构单元：0维: 团簇、纳米颗粒、八面体、三角形、多面体等；一维: 纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管和纳米锥等；二维: 纳米片等。

复杂的纳米结构：嵌段共聚物有序的自组装成为超分子纳米结构；多层膜；自组装形成管状、球状、层状和蘑菇状的结构纳米器件：ZnO纳米线直流发电机、光子晶体、纳米棒的逻辑敏电路、纳米管收音机、纳米线染料敏化太阳能电池。

18、简单论述单电子晶体管的原理（图）。

答：晶体管：是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。

单电子晶体管：用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管。

原理：单电子晶体管是依据库伦堵塞效应和单电子隧道效应的基本原理设计和制造的一种新型的纳米结构器件，在两个电极中间的绝缘层的中间再做一个电极，使之带半个电荷，两边的电极就会感应半个符号相反的电荷，因此可以通过电极Ⅱ上电压的变化来控制隧穿效应的发生。

物理性能：1、热学：降低熔点与烧结温度、降低纳米晶粒生长温度2、磁学：超顺磁性、高的矫顽力、低的居里温度、磁化率的变化3、光学：光吸收：宽频带强吸收（红移和蓝移）；发光性：激发发光4、力学：弹性模量小、金属粒子强度和硬度变大（其他材料强度变小）、塑性变小5、纳米粒子悬浮液的丁达尔效应、布朗运动、乳光特性化学性能：1、化学反应活性提高、具有敏感特性2、吸附性增强、纳米溶液粒子的分散于团聚、流变学3、光催化、光电化学特性（发光、荧光）。