纳米材料与技术作业
1.纳米材料按维度划分，可分为几类？
(1) 0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) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。
(3) 2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)
2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？
(1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料；
(2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。
(3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。
3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？
(1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。
4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
生这些优良特性的原因？
(1)物理特性：纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数，表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应以及宏观隧道效应导致纳米材料的热、磁、光、敏感性和表面稳定性不同于一般的例子；
(2)化学特性：纳米微粒由于具有较大的比表面和表面原子配位不足与相同材质的大块材料相比具有较强的化学吸附能力(吸附剂与吸附相以化学键强结合)。
5. 零维纳米颗粒材料的合成方法有哪些？这些合成方法的优势？
(1)气相法：化学气相反应法（气相分解、气相合成、气-固反应），物理气相法（气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法）(2)液相法：沉淀法（共沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法），水热法，溶胶-凝胶法，冷冻干燥法，喷雾法(3)固相法：粉碎法（干式粉碎、湿式粉碎），热分解法，固相反应法；优势：纯度高、表面洁净、粒径均匀、不易团聚、形貌结构稳定、原材料成本和能耗低、环境污染小等；
6.请详细说明磁控水溅射制备零维纳米材料颗粒材料的具体过程，并说明磁控溅射法的优势是什么？
(1)磁控溅射是真空溅射的一种，在真空室中利用加磁场的方式，利用磁控管的原理，将等离子体中的原来分散的电子约束在特定的轨道内运转，延长其运动路线，强化局部电离，提高工作气体的电离率，导致靶材表面局部强化的溅射效果；
(2)能量较低的二次元电子在靠近靶的封闭等离子体中做循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极上，这是基片升温低，损伤小的原因，也是气体离子化率大大提高的原因，总之，磁控溅射具有高速、低温、低损伤等优点。
7.原级纳米颗粒发生团聚后会出现几种聚合体？各自形成的方式是什么？
(1)凝聚体：指以面相接的原级粒子，其比表面积比单个组成的粒子小得多。
(2)附聚体：指以点、角相接的原级粒子团簇或小颗粒在大颗粒上的附着。其总表面积比凝聚体大，但小于单个粒子的总和；
(3)絮凝：指由于体系表面积的增加，表面能增大，为了降低表面能而生成更加松散的结构；
(4)软团聚：以角—角相接的粒子；
(5)硬团聚：以面—面相接的粒子；
8.胶体是什么？请详细利用带电胶粒稳定性的理论、空间位阻稳定理论、静电位阻稳定理论来解释胶体粒子稳定的原因？
(1)只要分散系能够稳定存在，而且分散质粒子半径数量级在1nm—100nm的都叫胶体；
(2)DLVO理论：在胶体之间既存在引力势能，又存在斥力势能，胶体的稳定或聚沉取决于两者的相对大小，加入电解质对吸引势能影响不大，但对斥力势能的影响却十分显著；(3)空间位阻稳定理论：通过添加高分子聚合物，聚合物分子聚合物分子的锚固基团吸附在固体颗粒表面，其溶剂化链在介质中充分伸展，形成位阻层，充当稳定部分，阻碍颗粒的碰撞聚集和重力沉降；
(4)静电位阻稳定理论：静电位阻稳定，是固体颗粒表面吸附了一层带电较强的聚合物分子层，带电的聚合物分子层既通过本身所带电荷排斥周围粒子，又用位阻效应防止布朗运动的颗粒靠近，产生复合稳定作用；
9.提高胶体粒子在液相中分散系与稳定性的三个途径？详细说明原因？
(1)改变分散相及分散介质的性质；
(2)调节电介质及定位离子浓度；
(3)选用吸附力强的聚合物和聚合物亲和力大的分散介质；
(4)详细原因同8；
10.详细说明水热合成法制备零维纳米材料的过程，并说明方法的优势？
(1)水热合成反应釜是在一定温度、压力条件下采用水溶液作为反应体系，利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制溶液的温度差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体;
(2)①明显降低反应温度(100℃一250℃)；②能够以单一步骤完成产物的合成与晶化(不需要高温热处理)、流程简单；③能够很好地控制产物的理想配比；④制备单一相材料；⑤可以使用便宜的原材料，成本相对较低；⑥容易得到好取向，更完整的晶体；⑦在成长的晶体中，比其他方法能更均匀地进行掺杂；⑧能调节晶体生长的环境;
11.碳纳米管的结构？其中碳原子以何种方式进行排列？碳纳米管有哪些结构？
(1)碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成，管身有六边形的碳环微结构单元组成，端帽部分由五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边形锥形多壁结构；(2)扶手椅形纳米管、锯齿形纳米管、手性纳米管；
12.什么是手性？什么是SP2轨道杂化？
(1)手性指一个物体与其镜像不重合；
(2)1个s轨道和2个p轨道组合成3个sp2杂化轨道；
13.如何利用化学气相沉积（CVD）法生长一维半导体纳米材料？金催化剂在这个过程中的作用？
(1) 化学气相沉积法是通过化学燃料气体的化学反应在模板孔道内沉积形成纳米管，纳米线或者纳米粒子，温度经常控制在500—1000度；
(2)再利用CVD法制备一维半导体纳米材料的实验中，根据金颗粒的大小来控制纳米线的直径分布等；
14.碳纳米管有哪些制备方法？比较这些制备方法的优缺点？
(1)石墨电弧法：有简单快速的特点，制得的碳纳米管直，结晶度高，但是缺陷较多；
(2)激光蒸发法：利用此法可以使碳纳米管端部层与层的边缘碳原子可以成键，从而避免端部封口，但是此法成本高，难以推广；
(3)催化裂解法：在600—1000度的温度及催化剂作用下使含碳气体原料分解，附着在催化剂微粒标下形成碳纳米管，使用的金属多为第八族，可以加入少量的Cu，Mg等调节金属能态，改变其化学吸附，与分解含碳气体的能力；
(4)化学气相沉积法：制备条件可控，易批量生产；
(5)模板法：所用膜容易制备，合成方法简单，能合成管径很小的结构；制备的材料孔径相同，具有单分散的结构；容易从模板分离；
(6)水热法：工艺简单，制得的碳纳米管管径小，分布窄，纯度和收率都高，大大降低了制备的反应温度；
(7)凝聚相电解生成法：可以通过改变电解的工艺条件控制碳纳米材料的形式；
15.纯化碳纳米管有哪些方法？比较这些方法的优缺点？
(1). 空气氧化法：样品损失率高；
(2). 液相氧化法:这种方法大大降低了样品的损失率（最终产物占初始产物的30-50%），但是该方法提纯后的样品仍含有较大量的催化剂粒子（1%）;
(3). 插层氧化法：此法是去除石墨粒子的一种有效方法，但对于催化剂粒子则无能为力，且引进了新的杂质；
(4). 溴化一氧化提纯法:可以得到相当于原来重量10%—20%的产物；
(5). 硝酸氧化法:可以大批量地进行单层纳米碳管的分离。实验研究发现，使用该硝酸氧化法每天可以提纯出克量级的单层纳米碳管，可以极大地满足对纯化了的单层纳米碳管进行深入研究的需要;
(6).红外线辐射氧化法:可以得到体积松散，海绵状，具有高定向性的多层纳米碳管；
(7).水热氧化法:最终单层纳米碳管的纯度(质量分数)可达到95％。实验发现，利用水热氧化这种提纯方法，每1g的烟灰至少可以得到2Orng的单层纳米碳管;
(8)空间排斥色谱法:不破坏纳米碳管的前提下进行提纯和长度选择的方法，但此法提纯物的纯度不够高;
(9)电泳纯化法:由于纳米碳管存在电的各向异性这一特征，因此当在两个铝电极间加入大小为2．2×10 V·m 交变电场时，在电场的作用下，纳米碳管将由原位移动到阴极附近，并沿着电场的方向进行有规律的定向排列;
(10)离心和微过滤法—离心法：在超声振荡（使粘附在纳米碳管上的杂质粒子脱落下来）下过滤，经循环实验可提供一种大量非破坏性提纯纳米碳管和纳米粒子的方法，同时通过控制凝絮，为纳米碳管的尺寸选择提供了前景。两次循环实验后，纳米碳管的纯度仅为90%，表明其纯度不很高；
(11)离心和微过滤法—微过滤法：该方法仅适用于纯度较高的样品，且提纯物收率不高。
改进的气相氧化法：本小组将由流动催化剂法制备的直径为3-20nm碳管与溴水反应形成溴的石墨插层化合物，然后在流动空气下加热到800K，并在此温度下恒温20min，将氧化后的产物用浓盐酸浸泡以除去催化剂粒子；
16.碳纳米管的表面修饰有哪些方法？
(1)机械修饰：运用粉碎、摩擦、球磨、超声等手段对碳纳米管
表面进行激活以改变其表面物理化学结构；
(2)化学修饰：利用化学手段处理碳纳米管获得某些官能团,改变其表面性质以符合某些特定的要求；
(3)外膜修饰：在碳纳米管表面均匀包覆一层其它物质的膜,使其表面性质发生变化；
(4)高能表面修饰：利用高能量电晕放电、紫外线、等离子射线和微波技术等对碳纳米管进行表面修饰；
17.碳纳米管有哪些物理、化学、力学、热学特性？为何碳纳米管有这些优良的特性？
(1)碳碳共价键是自然界中最稳定的化学键，所以碳纳米管具有良好的可弯曲性，不仅可以完成很小的角度，当弯曲应力去除后，碳纳米管通常能够从很大的弯曲变形中恢复原来的状态；单壁的碳纳米管具有金属性和半导体性两种特性；由于碳纳米管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，可以合成高各项异性的材料；
(2)碳纳米管良好的特性取决于其物理结构的特殊性，详见11；
18.石墨烯的结构？石墨烯中碳原子以何种方式进行排列？石墨烯有哪些结构？
(1)石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料；
(2)石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯齿型和扶手椅型；
19.石墨烯有哪些制备方法？比较这些制备方法的优缺点？
(1)机械剥离法：最简单的方法，对实验室要求简单，并且容易获得高质量的石墨烯，但是制备的石墨烯薄片尺寸不易控制，重复性差，产率低，而且难以规模化生产；
(2)氧化石墨还原法：产量高，应用广泛，但由于强酸的氧化性对石墨进行氧化处理，引入许多晶格缺陷，容易导致物理、化学性能的损失；
(3)化学气相沉积法：可制备出面积较大的石墨烯片，但由于现阶段工艺不成熟及较高的成本限制了规模应用；
(4)外延生长发：可以大规模制备，但是需要高温条件，难以控制石墨烯的附生形态和吸附能量；
20.同15，略；
21.石墨烯的表面修饰有哪些方法？
(1)等离子体对石墨烯的表面修饰：第一类作用，等离子体与样品接触时，高能离子流轰击薄膜的表面，由于撞击位置和冲击方向的不确定性，薄膜表面本身的平整性和有序性受到
破坏。如果能量较低，薄膜受到等离子体冲击后会发生平整性下降；如果等离子体束流能量较高或持续时间较长，薄膜表面的原子可能会逃逸出表面，也就是发生溅射。这些过程都是等离子体与薄膜表面原子之间动量交换的纯物理过程，并不涉及化学反应；第二类作用，等离子体与薄膜表面接触时，其中的活性粒子或基团与薄膜表面发生化学反应，相互成键。成键的结果主要有两种：一是等离子体中的活性粒子或基团嵌入薄膜表面并成为其一部分，这样会改变薄膜表面的性质，也就是实现了化学修饰。另一种可能的结果是等离子体与薄膜表面反应后生成挥发性物质逃逸。因此，这一过程是化学过程；
(2)光化学修饰方法：利用光化学过程产生的活性自由基实现了石墨烯的高效共价加成和氧化反应, 为石墨烯的光化学能带工程奠定了理论和实验基础；
22.石墨烯有哪些物理、化学、力学、热学特性？为何有这些性质？
(1)力学性质：石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构的稳定；石墨烯是世界上最牢固的材料；
(2)热学性质：石墨烯是一种稳定材料，在发现之前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在。所以它的发现立即震撼了整个凝聚态物理界；(3)电学性质：稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，这个行为已被科学家解释为电子在石墨烯里有效质量为零，这和光子的行为极为相似；
(4)化学性质：石墨烯具有超疏水性和超亲油性。在一定条件下，石墨烯可以和氢、氧及氟，氯，溴反应，分别生成石墨烷、石墨炔、氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯，溴化石墨烯，还可以生成上述的部分化合物；
23.石墨烯基材料如氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、氟化石墨烯的结构和特性？
(1)氧化石墨烯：氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米；氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性；
(2)氟化石墨烯：把每一个氟原子放在每一个单独的碳原子上，就可以得到纯净的氟化石墨烯；氟化石墨烯目前的主要作用就是作隧道障碍或作为高质量的绝缘体或者屏蔽材料；
24.通过哪些方法可以调节石墨烯的能带结构，为什么？
(1)我们可以通过掺杂的方式改变石墨烯的能带结构，从掺杂的目标看，石墨烯掺杂可以分为三种情况：n型掺杂，p型掺杂，以及单层或双层石墨烯的p/n共掺杂；
(2)如果掺杂剂的电子最高占据轨道高于石墨烯的费米能级, 那么电荷由掺杂剂转移到石墨烯, 此时掺杂剂是施主, 形成n型掺杂; 如果掺杂剂的电子最低未占据轨道低于石墨烯的费
米能级, 那么电荷由石墨烯转移到掺杂剂, 此时掺杂剂是受主, 形成p型掺杂. 另一种是晶格掺杂, 一般是在石墨烯生长过程中引入掺杂原子, 掺杂原子替换掉石墨烯平面六角晶格中的碳原子, 并与邻近碳原子成键. 一般掺杂原子的价电子少于碳原子会产生p型掺杂, 而价电子多于碳原子的会产生n型掺杂;
25.生长薄膜的物理、化学方法有哪些？
(1)物理方法：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、等离子喷涂、等离子喷射、切削等；
(2)化学方法：热分解法、气相反应法、吸附反应、聚合反应、光聚合反应、放电聚合、蒸镀聚合；
26.什么是贵金属化学气相沉积（MOCVD）？说明原理
(1)MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长的原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。(2)MOCVD方法是利用运载气携带金属有机物的蒸汽进入反应室，受热分解后沉积到加热的衬底上形成薄膜，它是制备铁电薄膜的一种湿法工艺；
27.什么是分子束外延？并说明这种方法生长薄膜的原理？
(1)在超高真空条件下，由装有各种所需要组分的炉子加热而产生的蒸汽，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层“长”在基片上形成薄膜；
28.什么是化学气相沉积（CVD）？并说明这种方法生长薄膜的原理？
(1)一定化学配比的反应气体，在特定的激活条件下（一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质）通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法；
29.ZnO、GaN的结构和基本性质有哪些？为何ZnO、GaN
具有良好的光学、电学特性？
(1)ZnO晶体具有四种晶体结构，闪锌矿结构、NaCl结构、CsCl结构和纤锌矿结构，ZnO晶体随着环境条件的改变形成不同结构的晶体。ZnO晶体中的化学键既有离子键的成分，又有共价键的成分，两种成分的含量差不多，因而使得ZnO晶体中的化学键没有离子晶体那么强，导致其在一定的外界条件下更容易发生晶体结构上的改变；ZnO是H—w族化合物，具有禁带宽、激子束缚能高、无毒、原料易得、成本低抗辐射能力强和良好的机电锅台性能等优点，因而被广泛应用于太阳能电池、表i声波器件(SAW)、液晶显示、气敏传感器、压敏器件等；
(2)在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体
积大约为GaAs的一半;它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景;
30.ZnO、GaN薄膜材料的优点和缺点？
(1)ZnO，GaN薄膜具有优良的压电性能ZnO，GaN薄膜光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化；
(2)ZnO，GaN具有优异的透明导电性能，可与rro(In籼：sn)膜相比;
(3)ZnO，GaN因其非线性系数高，电涌吸收能力强，在电子电路等系统中被广泛用来稳定电流，抑制电涌及消除电火花;
31.Zno、GaN薄膜的具体应用？
(1)压电器件:是一种用于体声波尤其是表面声波的理想材料;
(2)太阳能电池:ZnO，GaN主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池;
(3)ZnO，GaN受高能粒子辐射损伤较小．因此特别适合于太空中使用;
(4)气敏元件点:ZnO，GaN薄膜可用来制作表面型气敏器件，通过掺人不同元素，可检测不同的气体，其敏感度用该气氛下电导G与空气中电导c0的比值G来表示;
(5)压敏器件：压敏器件在电子电路等系统中被广泛用来稳定电流，抑制电涌及消除电火花。但通常烧结成瓷、划片所作的压敏电阻，因工艺限制，很难做到很低的压敏低压。而采用zn0薄膜便可做到较低的压敏低压；
32.什么是P型半导体和N型半导体？ZnO，GaN薄膜材料是哪一种半导体？如何实现ZnO，GaN薄膜材料在P型半导体和N型半导体之间的转换？请详述。
(1)P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体;
(2)N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体;
(3)通常情况下ZnO是P型半导体，GaN是N型半导体；
(4)两者之间的转换可以通过离子注入掺杂技术实现，具体为：P型半导体可以通过中子辐照嬗变掺杂转化为N型半导体；N型半导体经过重新熔炼+掺杂转化为P型半导体；
33.什么是压电效应，铁电效应，光电效应，热电效应，请详述
(1)压电效应-对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷,在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系,这种现象称为压电效应或正压电效应;
(2)铁电效应-所谓铁电材料，是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效应”;
(3)光电效应-在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生
电 ;
(4)热电效应-所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象；
34.扫描电镜的优点？电子束与固体样品作用时产生的信号有哪些？请讲述
(1)优点- 1.能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm2.样品制备过程简单，不用切成薄片3.样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察4.景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍5. 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm6.电子束对样品的损伤与污染程度较小7.在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。
(2)信号-二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等;
35.扫描电镜的工作原理？扫描电镜的构造，请详述。
(1)结构：镜筒、镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统；
(2)原理：工作原理-电子信号的收集与处理系统在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。检测二次电子的检测器(图15(2)的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，1就在其中产生光，这种光被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号再经前置放大及视频放大，电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极；
36.扫描电镜的主要性能？扫描电镜样品如何制备？请详述。
(1)放大率：与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到；
(2)场深：在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成像。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像；
(3)作用面积：电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”；
(4)工作距离：工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离；如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深；如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率；
(5)表面分析:欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析,但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析;
37.什么是扫描电镜的衬度像？什么是二次电子像？什么是背散射电子像？两者如何成像？这两种成像方式有哪些优缺点？请详述
(1)扫描电镜的衬度像-
反射50eV到接近入射电子的能量。背散射电子像既可以
；二次电子像主要是反映样品表面10nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度的形成主要取于样品表面相对于入射电子束的倾角；
(2)背散射电子像-在扫描电子显微镜中，通过电子枪产生的电子，经过加速磁场、偏转磁场后，照射到待检测的样品表面，待检测样品会反射一部分的电子，在扫描电子显微镜的工作镜腔里的背散射电子探头就会检测到这些被反射的电子，进而在检测器上所成的像；二次电子像-电子在固体里的非弹性平均自由径（inelastic mean free path）通常是具有普遍性，也就是说无关于什么材料[1]。这个距离对金属来说，通常是在几个纳米；对绝缘体来说，在零点几个纳米[2] [3]。而对低能量的电子（< 5 eV）来说，则有更长的平均自由径；
(3)二次电子像：1）凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处二次电子产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大。2）平面上的二次电子产额较小，亮度较低。3）在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。背散射电子像：1）用背散射电子进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子像低。2）背散射电子能量高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子而变成一片阴影，因此，其图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。因此，背散射电子形貌分析效果远不及二次电子，故一般不用背散射电子信号。38.扫描隧道显微镜的工作原理，工作模式，基本结构，请详述
(1)工作原理:扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片;
(2)工作模式：1.恒定电流模式：利用一套电子反馈线路控制隧道电流I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是
说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高；2.恒定高度模式：在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像；
(3)基本结构：隧道针尖、三维扫描控制器、减震系统、电子学控制系统、在线扫描控制系统、离线数据分析软件；
39.扫描隧道显微镜有哪些性能？具体应用，请详述。
性能：
(1)具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1埃，即可以分辨出单个原子;
(2)可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究;
(3)可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等;
(4)可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等;
(5)配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度,表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等;
(6)利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础;
应用：
(1)扫描：STM工作时，探针将充分接近样品产生一个高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辨率，可以进行科学观测；
(2)探伤及修补：STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏；
40.原子力显微镜有哪些性能？具体应用？请详述
(1)性能：相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织；
(2)应用：生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究；生物分子之间力谱曲线的观测；
42.如何利用扫描隧道显微镜实现单个原子搬运和放置？请详述
(1)当距离较大(> 0. 6 nm)时, STM针尖和样品表面之间的化学相互作用在单原子操纵过程中不起主导作用,这样,原子的操纵则主要取决于针尖和样品表面之间的纯电场或纯电流效应.这类单原子操纵的常用方法与前者正好相反,在操纵过程中STM的恒电流反馈始终处于工作状态,因此,针尖和样品表面之间的距离可以在电流反馈的控制下保持在预先设定的某个大于0. 6 nm的距离. 采用这种方法,由于在针尖和样品表面之间不存在复杂的化学相互作用,因此,可以比较容易地研究原子操纵过程中的;
(2)当距离较小( < 0. 4 nm)时,单原子操纵将受助于STM针尖和样品表面之间的化学相互作用. 因为随着针尖和表面间的距离的减小,在相同偏置电压的条件下不仅使针尖和样品表面间的隧道电流大大增大(可以增大1～2数量级) ,同时针尖和样品表面的“电子云”部分重叠,使两者之间的相互作用也大大增强. 这类单原子操纵的常用方法是: 先将STM的恒电流反馈切断; 然后再将针尖进一步移向样品,使针尖到样品表面的距离小于0. 4 nm.最近,日本的一个研究小组证明,当针尖和样品表面之间的距离小到一定程度时,即使在针尖和样品表面之间不施加任何偏置电压,仍可以操纵原子STM不仅可以在电场蒸发的作用下移走表面上的单个Si原子,也可以在电场蒸发的作用下将单个Si 原子放置到表面上任意预定的位置.
(3)通俗地说,根据被放置的原子的来源,单原子的放置可分为如下3种方式. ①铅笔法: 所放置的原子直接来源于STM针尖的材料;②蘸水笔法: 所放置的原子不是来源于STM针尖的材料,而是先用针尖从样品上的某处提取一些原子,然后再将这些吸附在针尖上的原子逐个地放置到所需的特定的位置上去; ③钢笔法: 这种方式则是寻找一种方法,将某种所需的原子源源不断地供给到STM针尖上,再源源不断地放置样品表面上去;
43.X射线衍射分析的原理是什么？详述X射线衍射仪的结构及组成？
(1)原理：X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象；
(2)结构及组成：高稳定度X射线源：提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度；样品及样品位置取向的调整机构系统：样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块；射线检测器：检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据；衍射图的处理分析系统：现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化；
44.请详述射线衍射分析实验技术？
(1)单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法;多晶X射线衍射方法包括照相法与衍射仪法;
(2)在近完整晶体中，缺陷、畸变等体现在X射线谱中只有几十弧秒，而半导体材料进行外延生长要求晶格失配要达到10-4或更小。这样精细的要求使双晶X射线衍射技术成为近代光电子材料及器件研制的必备测量仪器，以双晶衍射技术为基础而发展起来的四晶及五晶衍射技术（亦称为双晶衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成就的标志。但双晶衍射仪的第二晶体最好与第一晶体是同种晶体，否则会发生色散。所以在测量时，双晶衍射仪的参考晶体要与被测晶体相同，这个要求使双晶衍射仪的使用受到限制;
45.具体详细叙述X射线分析在材料研究领域的应用？
(1)在近完整晶体中，缺陷、畸变等体现在X射线谱中只有几十弧秒，而半导体材料进行外延生长要求晶格失配要达到10-4或更小。这样精细的要求使双晶X射线衍射技术成为近代光电子材料及器件研制的必备测量仪器，以双晶衍射技术为基础而发展起来的四晶及五晶衍射技术（亦称为双晶衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成就的标志。但双晶衍射仪的第二晶体最好与第一晶体是同种晶体，否则会发生色散。所以在测量时，双晶衍射仪的参考晶体要与被测晶体相同，这个要求使双晶衍射仪的使用受到限制;
(2)物相定量分析;宏观应力的测定;宏观应力的测定;晶体点阵参数的确定;
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容和所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易和其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们和旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错和晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):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(10–9米)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、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下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小于100nm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，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用中国绿色节能环保网点击数：269 发布时间：2010年3月22日来源：中国节能住宅网 纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。 近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果,现分类介绍如下: 1纳米技术在建筑涂料中的应用 涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料),国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。 同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用,不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
《纳米材料》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：2 中文名称：纳米材料 英文名称：Nano-materials 适用专业：化学工程与工艺 课程类别：专业选修课 开课时间：第5学期 总学时：32 总学分：2 二、课程简介（字数控制在250以内） 《纳米材料》是化学工程与工艺专业的一门专业选修课，本课程系统地讲授各类纳米材料的概念、制备方法、结构和性能特征以及表征技术和方法，在此基础上，对其发展前景进行了展望。通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 三、相关课程的衔接 与相关课程的前后续关系。 预修课程（编号）：高等数学B1（210102000913）、高等数学B2（210102000713）、物理化学A1（2）、物理化学A2（2），无机化学（A1）（2）、无机化学（A2）（2）。 并修课程（编号）：无特别要求 四、教学的目的、要求与方法 （一）教学目的 通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 （二）教学要求 掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状，对未来发展前景有一定的认识。
（三）教学方法 本课程遵循科学性、系统性、循序渐进、少而精和理论联系实际的教学原则，结合最新的研究成果着重讲述有关纳米材料的基本理论、理论知识的应用。本课程以课堂讲授教学为主，教学环节还包括学生课前预习、课后复习，习题，答疑、期末考试等。 五、教学内容（实验内容）及学时分配 （1学时） 第一章绪论（2学时） 1、教学内容 1.1纳米科技的基本内涵 1.2纳米科技的研究意义 1.3纳米材料的研究历史 1.4纳米材料的研究范畴 1.5纳米化的机遇与挑战 2、本章的重点和难点 本章重点是纳米科技与纳米材料的基本概念。 第二章纳米材料的基本效应（2学时） 1、教学内容 2.1 小尺寸效应 2.2 表面效应 2.3 量子尺寸效应 2.4宏观量子隧道效应 2.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 2.6 介电限域效应 2.7 量子限域效应 2.8 应用实例 2、本章的重点和难点 重点：纳米材料的表面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应。难点：宏观量子隧道效应。 第三章零维纳米结构单元（4学时） 1、教学内容 3.1 原子团簇
《纳米技术就在我们身边》第二课时作业单 姓名 一、听写词语 （）（）（）（）（）（）（）（）（） 二、找出第三、四自然段的特点 请孩子们读读课文三四自然段，你有什么发现吗？ 内容上：__________________________________结构上：__________________________________ 三、深入学习第三、四自然段 默读三、四自然段，找一找课文举了哪些例子说明“纳米技术就在我们身边”“纳米技术可以让人们更加健康”。 （一）纳米技术就在我们身边的例子 1、 2、“有一种叫作‘碳纳米管’的神奇材料，比钢铁结实百倍，而且非常轻，将来我们有可能坐上‘碳纳米管天梯’到太空旅行”这个句子里面的（）这个词让这篇说明文的语言更加（）。 3、 （二）纳米技术可以让人们更加健康的例子 1、 2、 四、在我们的生活中，还有很多地方都用到了纳米技术。你通过查找资料，知道了我们身边还有哪些纳米技术的应用呢？ 1、 2、 五、品读句子，完成练习。 1、A：如果把直径为1纳米的小球放到乒乓球上，相当于把乒乓球放在地球上 ．．．．．．．．．．．．，可见纳米有多么小。 B：有一种叫作“碳纳米管”的神奇材料，比钢铁结实百倍，而且非常轻 ．．．．．．．．．．．．．。 A句说明了纳米的特点是___________，B句把“碳纳米管”和___________进行比较，突出了“碳纳米管”这种材料___________和___________的特点。 2、现在吃一次药最多管一两天，未来的纳米缓释技术，能够让药物效力缓慢地释放出来，服一次药可以管一周，甚至一个月。 这个句子中，我能通过_____________的方法知道画“_____”的“纳米缓释技术”的意思是 _________________________。 1
北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办 “纳米材料与技术”专业本科教育项目 1、项目介绍： 本项目是北京地区高校中第一个被教育部批准的“纳米材料与技术”专业本科教育中外合作办学项目【教外综函[2012]49号】。 2、培养目标： 专业融合两校的优势课程，引入国际先进的教育理念，充分发挥北京市纳米科技资源优势，制定与国际接轨的教学培养方案和教学质量监控体系，努力培养德智体全面发展，数理、材料与技术基础扎实，解决实际问题能力强，富有创新精神和开拓能力，有国际视野，能在科研、高校及企事业单位从事与纳米材料与技术相关研发、教学与管理工作的高端复合型人才。 3、学制模式： 纳米材料与技术专业学制4年，采取2+1+1培养模式，学生前两年和第四年在北京交通大学全日制学习，第三年赴加拿大滑铁卢大学全日制学习。专业将摈弃高校传统的大学英语教学模式，聘请滑铁卢大学教师对学生英语语言能力进行全方位培训，提高学生英语应用能力。第一学年实行双语授课，此后实施全英文教学，专业总课程和核心课程的三分之一以上由滑铁卢大学老师和外教承担，实现本土教学的国际化。 4、培养层次（学位）： 学生完成全部纳米材料与技术专业课程以及毕业设计，成绩合格获北京交通大学工学学士学位。若所修课程也达到滑铁卢大学本科毕业要求，可同时获得滑铁卢大学学士学位。 5、毕业去向： 预计75%以上毕业生深造，其中去国外、境外知名高校、科研机构继续深造学生数将达到50%，其余毕业生可在国内高校、科研机构及企事业单位等从事科学研究、技术开发、教学和管理等工作。 6、核心课程： 材料与纳米科学技术、固体物理、材料的光学及电学性能、生物材料、高分子材料、固体材料与纳米器件、纳米物理学。 7、学习费用：
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
7.纳米技术就在我们身边 一、读句子,看拼音写汉字。 1.bīng xiāng( )里面用到一种nà mǐ（）涂层,具有杀菌和除chòu( )功能,能够使食物保质期和shū cài( )保鲜期更长。 2.纳米检测技术可以实现jí bìng( )的早期检测与yù fáng( )。 二、辨字组词。 三、根据要求改写句子。 1.纳米技术可以让人们更加健康。(改为反问句) 2.如果 ．．在只有几个癌细胞的时候就能够发现的话,死亡率就．会大大降低。(用加点词语造句) 四、如果让你利用纳米技术,你会把它运用到生活的哪些地方?发挥想象说一说。
五、课内阅读。 什么是纳米技术呢?这得从纳米说起。纳米是非常非常小的长度单位,1纳米等于10亿分之一米。如果把直径为1纳米的小球放到乒乓球上,相当于把乒乓球放在地球上,可见纳米有多么小。纳米技术的研究对象一般在1纳米到100纳米之间,不仅肉眼根本看不见,就是普通的光学显微镜也无能为力。这种小小的物质拥有许多新奇的特性,纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门学问。 纳米技术就在我们身边。冰箱里面用到一种纳米涂层,具有杀菌和除臭功能,能够使食物保质期和蔬菜保鲜期更长。有一种叫作“碳纳米管”的神奇材料,比钢铁结实百倍,而且非常轻,将来我们有可能坐上“碳纳米管天梯”到太空旅行。在最先进的隐形战机上,用到一种纳米吸波材料,能够把探测雷达波吸收掉,所以雷达根本看不见它。 1.读短文说说什么是纳米。 2.短文主要运用了哪些说明方法? 3.结合短文,说说你对“纳米技术就在我们身边”这句话的理解。 4.简单说说你对纳米技术的了解。
7.纳米技术就在我们身边 一、1.冰箱纳米臭蔬菜 2.疾病预防 二、隐约稳重健康琴键细胞奔跑炉灶社会 三、1.难道纳米技术不可以让人们更加健康吗? 2.如果想要有收获,就得奋斗。 四、我会用到我们穿的衣服上,我会研制一种不用晾干的衣服。在我们洗完衣服以后,这种纳米材料就会把水分全部吸收蒸发,洗干净的衣服就可以直接穿上了,不需要再晾晒了。 五、1.纳米是非常非常小的长度单位,1纳米等于10亿分之一米。2.列数字、作比较、举例子。 3.纳米技术在我们的生活中应用也很多,我们可以把它用在冰箱涂层上,有杀菌和除臭的功能,还可以做成碳纳米管,它比钢铁结实百倍。 4.纳米技术的研究对象一般在1纳米到100纳米之间,它还有许多新奇的特性,对我们的衣食住行方面都有贡献。
纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0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) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2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) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
部编人教版小学四年级语文下册第二单元第7课 《纳米技术就在我们身边》课后作业及答案 一、读句子，用“√”给加点字选择正确的读音，根据拼音写词语。 1.纳米技术在我们身边。bīng xiāng（）里面用到一种纳米涂层，具有杀菌．（jūn jǔn）和除臭．（chòu xiù）的功能；还有一种叫作“tàn（）纳米管”的神奇 cái liào（），比钢管结实百倍。 2.纳米技术可以让我们更加jiàn kāng（）。如果在只有几个癌细胞．（bāo pāo）的时候就能发现的话，死亡率．（lù lǜ）会大大降低，实现疾．（jī jí）病的早期检测和yù fáng（）。 3.那个亿．（yí yì）万富翁没有yōng bào（）孩子，他把情感yǐn cáng（）在了内心深处。 二、照样子，写一写。 示例：匡框（画框）（门框） 才______（）（）方______（）（） ______（）（） ______（）（）建______（）（）包______（）（） ______（）（） ______（）（） 三、根据要求完成练习。 1.“鲜”用部首查字法，应该查______部，再查______画。“鲜”字的解释有：①新鲜；②鲜美；③（花朵）没有枯萎；④鲜明。在“鲜嫩”中应选第______种意思。在“鲜艳”中应选第______种意思。
2.给下列句中的“直”选择恰当的解释。 直：①公正的，正义的；②一个劲儿，不断地；③成直线的（跟“曲”相对）；④一直，径直，直接 （1）他看着我直．笑，让我觉得有点莫名其妙。（） （2）未来的纳米机器人，甚至可以通过血管直．到病灶。（）（3）他理直．气壮地说：“凭什么让我认错呢！”（） 四、选词填空。 深厚深重深刻 1.纳米技术将给人类的生活带来（）的变化。 2.这一时期，民族危机和社会危机空前（）。 3.这一带是老根据地，群众基础非常（）。 五、选择下列句子运用的说明方法。 A.列数字 B.作比较 C.举例子 D.下定义 1.纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门学问。（） 2.未来的纳米缓释技术，能够让药物效力缓慢地释放出来，服一次药可以管一周，甚至一个月。（） 3.有一种叫作“碳纳米管”的神奇材料，比钢铁结实百倍，而且非常轻。（） 4.前肢越来越长，能像鸟翼一样拍打。（） 六、下列对课文内容的理解有错误的一项是（） A.这是一篇说明文，向读者介绍了正在兴起的高新技术——纳米技术。 B.在介绍纳米技术的应用的时候，作者是从三个方面来介绍的。
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管
《功能金属材料》课程作业 一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟 班级：0610104 学号：061010418 姓名：刘广通
一、一维ZnO 纳米材料性能 ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。 一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。[1] 目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。 二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景 一维ZnO纳米材料被用于光学器件。因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。2）激子辐射复合发光。纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、
纳米材料的定义、特点和应用前景 中国科学院上海硅酸盐研究所作者：张青红 图1 图2 图3 什么是纳米材料？ 纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使
体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料的特点？ 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 纳米材料的应用前景 纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同，“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。 下面我们选用几副插图来说明纳米材料。 图一：二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料，最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片，这种管是开口、中空管，比表面积能达到400m2/g，可能在吸附剂、光催化剂等方面有应用前景。 图二：晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。 图三：二氧化钛纳米颗粒的透射电镜照片。可以看出二氧化钛仅为7纳米左右。人们不仅要问：如此小的纳米颗粒肉眼能否看到？商家提供的“纳米粉体”能看得到吗？如此小的晶粒用肉眼是看不到的，可以借助于电子显微镜来看。由于这些晶粒聚集在一起，我们可以看到聚集后的粉体，除了能感觉到“纳米粉体”更膨松外，不借助科学的表征方法，我们难以区别它们。 在材料科学家和其他科学家经过不懈努力后，取得了重大突破，在一些先进国家相继建立了受控聚变实验装置，进行科学实验。更令人兴奋的是，受控核聚变经过近半个世纪的努力，它的科学可行性已由现有的实验结果外推确认，图2为其实验装置Tokamak示意图。而最具说服力的实验是1991年11月JET和1993年12月TFTR的D-T实验，证明受控核聚变已不是可望而不可及的幻想，而是经过努力可望在本世纪中叶付诸应用的有效能源。