《纳米材料与纳米结构》课程复习题

《纳米材料与纳米结构》课程复习题1.纳米颗粒有哪些基本的效应？久保理论;尺寸效应;表面与界面效应;体积效应;量子尺寸效应;宏观量子隧道效应2.什么是超顺磁性？讨论产生超顺磁性的原因。

磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。

如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被就是所谓超顺磁效应。

超顺磁状态的起源可归为以下原因：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，结果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3.用机械法来制备纳米颗粒有什么优点和缺点？优点：过程简单，大规模生产容易，花费少，不污染环境，没有后续过程的问题缺点：能源消耗高，难以控制粒子形貌，夹有杂质4.纳米颗粒材料与相同块体材料的光学性质有何差异？纳米固体的光吸收具有常规粗晶不具备的一些新特点。

金属纳米固体等离子共振吸收峰变得很弱，甚至消失。

半导体纳米固体中粒子半径小于或等于激子玻尔半径时，会出现激子（Wannier激子）光吸收带（例如，粒径为4.5 nm的CdSexS 1-x，在波长约450 nm处呈现一光吸收带）。

相对常规粗晶材料，纳米固体的光吸收带往往会出现蓝移或红移。

例如，纳米NiO块体的4个光吸收带（3.30，2.99，2.78，2.25 eV）发生蓝移，三个光吸收带（1.92，1.72，1.03 eV）发生红移，与纳米粉体相类似。

纳米结构材料由于颗粒很小，这样由于小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使激子，特别是表面激子很容易形成；界面所占的体积很大，界面中存在大量缺陷，例如悬键，不饱和键和杂质等，这就可能在能隙中产生许多附加能隙；纳米结构材料中由于平移周期的破坏，在动量空间（k空间）常规材料中电子跃迁的选择定则对纳米材料很可能不适用，这些就会导致纳米结构材料的发光不同于常规材料，有自己新的特点。

5.给出采用透射电镜(TEM)观测纳米颗粒粒度的优缺点。

优点：图像为立体形象，反映了标本的表面结构。

缺点：电镜观察法得到的一次粒度分析结果一般很难代表实际样品颗粒的分布状态。

对一些在强电子束轰击下不稳定甚至分解的纳米颗粒以及制样困难的生物和微乳等样品则很难得到准确的结果。

电镜观察法一次粒度检测结果通常作为其他分析方法结果的比照。

6.简述纳米二氧化钛的光催化原理。

光的照射下，价带电子越迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，羟基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了对有机物的降解。

当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子—空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，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。

7.表述可使纳米颗粒聚团进行有效分散的方法。

加入反絮凝剂形成双电层－反絮凝剂的选择可依纳米微粒的性质、带电类型等来定；加入表（界）面活性剂包裹微粒－由于活性剂的存在使分子产生斥力，使得粒子间不能接触（如磁性颗粒）。

8.给出溶胶－凝胶法制备纳米颗粒物料的步骤。

溶胶的制备：有两种方法制备溶胶，一是先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒。

因这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶。

另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到胶体溶胶。

溶胶－凝胶转化：一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度；二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。

凝胶干燥：一定条件下（如加热）使溶剂蒸发，得到粉料，干燥过程中凝胶结构变化很大。

9.讨论影响纳米磁性液体的稳定性及性能的主要因素。

pH值、Fe2+/Fe3+浓度、反应温度、反应时间、分散剂均对纳米Fe3O4颗粒的性能有显著影响，在制备过程中必须严格地加以控制才能得到具有良好磁性能和合适粒径的纳米Fe3O4颗粒。

稀土离子掺杂对Fe3O4颗粒磁性能的影响。

10.描述制备纳米晶材料机械合金化方法的特点。

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，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。

如果将两种或两种以上金属粉末同时放人球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程（冷焊－粉碎－冷焊的反复进行），最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。

由于这种方法是利用机械能达到合金化而不是用热能或电能，所以把高能球磨制备合金粉末的方法称做为机械合金化（Mechanical alloying，简写成MA）。

可制备：纳米晶纯金属；互不相溶体系的固溶体；纳米金属间化合物；纳米金属－陶瓷粉复合材料11.纳米材料熔点降低的原因是什么？纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多。

由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小的多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

12.可以采用何种方法来测量纳米晶材料的晶粒尺寸？1. 电镜观察法2. 激光粒度分析法3. 沉降法粒度分析4. 电超声粒度分析法5. 比表面积分析法13.解释纳米颗粒的光吸收带出现“蓝移”现象的原因。

一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。

Ball等从分子结构的角度对这种蓝移现象给出了解释：已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因。

另一种是表面效应。

由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。

对纳米氧化物和氮化物微粒研究表明，第一近邻和第二近邻的距离变短。

键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。

14.给出纳米薄膜的类型和制备方法。

液相法：溶胶－凝胶法；电沉积法气相法：高速超微粒子沉积法（气体沉积法）；直接沉积法15.给出高温水解法制备纳米颗粒的几种类型。

16.表述采用几种常用制备纳米颗粒液相方法。

1、沉淀法；2、喷雾法；3、水热法（高温水解法）；4、溶剂挥发分解法；5、溶胶－凝胶法（胶体化学法）；6、辐射化学合成法17.铁磁性或亚铁磁性纳米颗粒的单畴尺寸等于其超顺磁性尺寸否？当铁磁或亚铁磁物体小过某一临界尺寸（20-50nm)时，它们就成为单畴颗粒。

许多这样单畴颗粒组成的物质具有超顺磁性。

18.何为纳米颗粒分散体系的丁达尔效应？如果让一束聚集的光线通过某种分散物系，在入射光的垂直方向可以看到一个发光的圆锥体（见图），此现象成为丁达尔效应，该圆锥为丁达尔圆锥。

19.表述用于分散纳米颗粒的化学分散剂分子吸附在颗粒表面上的吸附类型。

物理吸附；电解质吸附；非电解质的吸附20.红移引起红移的因素也很复杂，归纳起来有：1）电子限域在小体积中运动；量子限域效应2）粒径减小，内应力（P=2/r，r为半径，为表面能）增加，这种内应力的增加会导致能带结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能级间距变窄，这就导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移；(3) 激子吸收带--量子限域效应激子的概念首先是由Frenkel在理论上提出来的。

当入射光的能量小于禁带宽度（ω< Eg）时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子-空穴对，称为激子。

21.描述有关“双电层”的概念和模型。

一般来说，靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为紧密层，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性；离超微粒子稍远的离子形成较弱的吸附层，称为分散层，上述两层构成双电层。

22.采用何种方法可以表征纳米材料的介孔结构？电子显微镜分析；x射线结构分析技术；23.给出采用电子能谱技术可探测纳米无机和有机材料表面的深度。

表面检测的深度对无机物在2 nm 左右，对有机物或高聚物在10 nm 左右。

24.纳米晶体在受热时的非线性热振动可分为几部分？伸缩振动指键合原子沿键轴方向的振动，这是键的长度因原子的伸缩运动而变化，它又可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动。

弯曲振动是指原子沿垂直于键轴方向的振动，它又分为变形振动、摇摆振动和卷曲振动三类。

25.描述纳米材料的介电性能的特点。

与常规材料相比，纳米材料介电行为(介电常数、介电损耗)与颗粒尺寸有很强的依赖关系，电场频率对介电行为有极强的影响。

26.何为纳米复合材料？纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。

27.采用何种方法可制备较窄颗粒粒度分布的纳米粉体？流动液面上真空蒸度法28.给出分析纳米材料结构的振动光谱技术的种类。

振动光谱可以分为红外辐射的吸收(红外光谱)或光散射(拉曼光谱)。

红外光谱按波长分为三个区域：近红外（0.78－2.5μm），中红外（2.5－25μm）和远红外（25－1000μm）。

拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的。

拉曼散射与晶体的晶格振动密切相关，只有对一定的晶格振动模才产生拉曼散射。

纳米材料中材料内部组成和界面组成的有序程度有一定的差异，所以键的振动模也就会有差异。

这样就可以通过纳米材料与本体材料拉曼光谱的差异来研究纳米材料的结构和键态特征。

29.给出纳米材料超塑性的概念。

超塑性从现象学上定义为在一定应力拉伸时产生极大的伸长量，几乎达到大于或等于100%。

30.给出测量纳米颗粒粒度的各种方法，并指出各种方法的优缺点。

（1）显微镜法显微镜法（microscopy）是一种测定颗粒粒度的常用方法。

根据材料颗粒度的不同，既可采用一般的光学显微镜，也可以采用电子显微镜。

光学显微镜测定防卫为0.8~150ųm，小于0.8ųm者必须用电子显微镜观察。

扫描电镜和透射电子显微镜常用于直接观察大小在1nm~5ųm范围内的颗粒，适合纳里材料的粒度大小和形貌分析。

显微镜法可以了解在制备过程中颗粒的形状，绘出特定表面的粒度分布图，而不只是平均粒度的分布图。

但是在用电子显微镜对纳里颗粒的形貌进行观察时，由于颗粒间普遍存在范德瓦耳斯力和库仑力，颗粒极易团聚形成球团，给颗粒粒度测量带来困难，需要选用分散剂或适当的操作方法对颗粒进行分散。