《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《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小到与热运动能可相比拟时,兹化方向就不再固定在一个易磁化方向,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

4.5nm的CdSexS1-x,在波长约•450nm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,

2.25eV发生蓝移,三个光吸收带

1.92,

1.72,

1.03eV发生红移,与纳米粉体散射法dynamic light scattering当颗粒粒度小于光波波长时，由瑞利散射理论，散射光相对强度的角分布与粒子大小无关，不能够通过对散射光强度的空间分布即上述的静态散射法来确定颗粒粒度，动态光散射正好弥补了在这一时，会散射出一定频移的散射光，散射光在空间某点形成干涉，该点光强的时间相关函数的衰减与颗粒粒度大小有一一对应的关系通过检测散射光的光强随时间变化，并进行相关运算可以得出颗粒粒度大小尽管如此，动态光散射获得的是颗粒的平均粒径，难以得出粒径分布参数动态光散射法适于检测亚微米级颗粒，测量范围为lnm-5m04电超声粒度分析法点超声分析法是最新出现的粒度分析方法,粒度测量范围为5m-100m它的分析原理较为复杂,简单地说,当声波在样品0内部传导时，仪器能在一个宽范围超声波频率内分析声波的衰减值，通过测得的声波衰减谱，可以计算书衰减值与粒度的关系分析中需要颗粒和液体的密度、液体的黏度、颗粒的质量分数等参数，对乳液或胶体中的柔性粒子，还需要颗粒的热膨胀参数包括粒径、E电位势等,不需要稀释，避免了激光粒度分析法不能分析高浓度分散体系粒度的缺陷,且精度高,粒度分析范围更宽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:酯一醇-醛-酸-C02,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,产生了电子一空穴对,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0H反应生成氧化性很高的0H自由基，活泼的0H自由基可以把许多难降解的有机物氧化为C02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

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激子吸收带一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（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2L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2nm左右，对有机物或高聚物在10nm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-

2.5pm,中红外

2.5-25pm和远红外25-1000pm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

0.8〜150m,小于

0.8m察大小在lnm-5m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传统的显微镜法测定颗粒粒度分布时，通常采用显微拍照法大量颗粒粒度的分析统计由于测量结果受主观因素影响较大,测量精度不高,而且操作繁重费时,容易出错近年来采用综合图象分析系统可以快速而准确地完成显微镜法中的测量和分析系统工作综合性的图象分析系统可对颗粒粒度进行自动测量并自动分析系统显微镜对被测颗粒进行成像，然后通过计算机图象处理技术完成颗粒粒度的测定图象分析技术因其测量的随机性、统计性和直观性被公认是测定结果与实际粒度分布吻合最好的测试技术其优点是可以直接观察颗粒是否团聚缺点是取样的代表性差，实验结果的重复性差,测量速度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慢2沉降法沉降法sedimentation sizeanalysis的原理是基于颗粒处于悬浮体系时，颗粒本身中立或所受离心力、所受浮力和黏滞阻力三者平衡，并且黏滞力服从斯托克斯原理来实施测定的，此时颗粒在悬浮体系中以恒定速度沉降，而且沉降速度与粒度大小的平方成正比值得注意的是，只有满足下述条件才能采用沉降法测定颗粒粒度；颗粒想状应当接近于球形，并且完全被液体润湿；颗粒在悬浮体系的沉降速度是缓慢而恒定的，而且达到恒定速度所需时间很短；颗粒在悬浮体系中的布朗运动不会干扰其沉降速度；颗粒间的相互作用不影响沉降过程测定颗粒粒度的沉降法分为重力沉降法分为重力沉降法和离心沉降法两种，重力沉降法适于粒度为2〜100m的颗粒，而离心沉降法适于粒度为10m~20m的颗粒由于离心式粒度分析仪采用斯托克斯原理，所以分析得到的是一种等效粒径，粒度分布为等效秋重均粒度分布一般高速离心沉降适合于纳里材料的粒度分析目前较通行的方法就是消光沉降法，由于不同的粒度的颗粒在悬浮体系中沉降速度不同同一时间颗粒沉降的深度也就不同，因此,在不同深度处悬浮液的密度将表现出不同变化，根据测量光束通过悬浮体系的光密度变化便可计算出颗粒粒度分布其优点是测量质量分布其优点是测量质量分布，代表性强,测试结果与仪器的对比性好，价格比较便宜缺点是对于小粒子的测试速度慢，重复性差；对非球形粒子的误差大，不适合于混合物料,动态范围比激光衍射法窄3光散射法光散射法lightscattering的研究分为静态和动态两种,静态光散射法即时间平均散射测量散射光的空间分布规律,动态光散射法则研究散射光在某固定空间位置的强度随时间变化的规津成熟的光散射理论主要有夫朗和费Fraunhofer衍射理论、菲涅耳Fresnel衍射理论、米Mie散射理论和瑞利Royleigh散射理论等激光粒度分析法是目前最为主要的纳米材料体系粒度分析方法当一束波长为人的激光照射在一定粒度的球形小颗粒上时，会发生衍射和散射两种现象，通常当颗粒粒径大于10人时,以衍射现象为主；当衍射现象为主；当粒径小于10人时，则以散射现象为主一般，激光衍射式粒度仪仅对粒度在5m以上的样品分析较准确；而动态光散射粒度仪则对粒度在5m以下的纳米、亚微米颗粒样品分析准确另外，激光法粒度分析的理论模型是建立在颗粒为秋形、单分散条件上的，而实际上被测颗粒多为不规则形状并呈多分散性因此，颗粒的形状、粒径分布特性对最终粒度分析结果影响较大，而且颗粒形状越不规则、粒径分布越宽，分析结果的误差就越大但激光粒度分析法具有样品用量少、自动化程度高、快速、重复性好并可在线分析等优点缺点是这种粒度分析方法对样品的浓度有较大限制，不能分析高浓度体系的粒度及粒度分布，分析过程中需要稀释，从而带来一定的误差在利用激光粒度仪对体系进行粒度分析时，必须对被分析体系的粒度范围事先有所了解，否则分析结果将不会准确目前的激光粒度仪多以500〜700nm波长的激光作为光源，因此，先社式粒度仪对粒径在5m以上的颗粒分析结果比较准确，而对于粒径小于5m的颗粒则采用了一种数学上的米氏修正因此，她对亚微米和纳米级颗粒的测量有一定的误差，甚至难以准确测量而对于散射式激光粒度仪，则直接对采集的散射的散射光信息进行处理，因此，她能够准确测定亚微米、纳米级颗粒,而对粒径大于5m的颗粒来说,散射式激光粒度仪则无法得出准确的测量结果激光光散射法可以测量20~3500nm的粒度分布,获得的是等效球体积分布,测量准确,速度快，代表性强,重复性好,适合混合物料的测量缺点是对于检测器的要求高，各仪器测量结果对比差利用光子相关光谱方法可以测量1〜3000nm范围的粒度分布，特别适合超细纳米材料的粒度分析研究测量体积分布，准确性高，测量速度快，动态范围宽,可以研究分散体系的稳定性其缺点是不适用于粒度分布快的样品测定

①射法static lightscattering在静态光散射粒度分析法中，当颗粒粒度大光波波长时，克用夫朗和费衍射测量前向小角区域的散射光强度分布来确定颗粒粒度当粒子尺寸与光波波长相近时，要用米散射理论进行修正，并利用光谱分析法基于这两种理论原理的激光粒度分析已经应用于生产实际中以菲涅耳衍射理论为指导实现颗粒粒度测量的原理是在近场相对于夫朗和费衍射探测衍射光的相关参数，并计算出粒度分布，该方法具有理论上的可行性,对于实现激光粒度分析仪的小型化是一个很好的方案较为成熟的激光衍射粒度分析技术是根据夫朗和费衍射理论而开发的1976年，首次提出了基于夫朗和费衍射理论的激光颗粒测量方法，其原理是激光通过被测颗粒将出现夫朗和费衍射，不同粒径的颗粒产生的衍射随角度的分布而不同，根据激光通过颗粒后的衍射能量分布及其响应的衍射可以计算出颗粒样品的粒径分布随后，一些国家相继研制了基于这种原理的激光粒度仪根据夫朗和费衍射理论设计的激光粒度仪的测量范围为3〜1000m

②光子相关光谱法photon correlationspectroscopy动态光。