纳米材料和纳米结构补充.docx

L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、反响温度、反响时间、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。2 .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。3 .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=20/r, r为半径，团为外表能)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； 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(3<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别离的具有一定 键能的电子-空穴对，称为激子。4 .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。5 .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 0.8150qm,小于0.8qm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lnm5qm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，绘出特定外表的粒度分布图，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，测量速度慢。(2)沉降法 沉降法(sedimentation size analysis)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，而且到达 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2100 qm的颗粒，而离心沉降法适于粒度为10 qm2011m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，测试结果与仪器的比照性好，价格比拟廉价。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，动态光散射法那么研究散射光在某固定空间位置 的强度随时间变化的规律。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入时，那么以散射现象为主。一般，激光衍 射式粒度仪仅对粒度在5qm以上的样品分析较准确；而动态光散射粒度仪那么对粒度在5 qm 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那么形状并呈多分散性。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那么、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，否那么分析结果将不会 准确。目前的激光粒度仪多以500700nm波长的激光作为光源，因此，先社式粒度仪对粒 径在5 qm以上的颗粒分析结果比拟准确，而对于粒径小于5 qm的颗粒那么采用了一种数学 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，那么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5 qm的颗粒来说，散射式激光粒度仪那么无法得出 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，各仪器测量结果比照差。利用光子相关光谱方法可以测量03000nm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。 射 法(static light scattering)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31000qm。 光子相关光谱法(photon correlation spectroscopy)动态光散射法(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lnm5qm。（4）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5 qm-100ymo它的分析原理较为复杂，简单地说，当声波在样品内部传导时，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、C电位势等），不需要稀释，防止 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。 6 .库伦阻塞效应库仑堵塞效应：由于库仑堵塞能的存在对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而 是一个一个单电子传输，这种现象叫做库仑堵塞效应。库仑堵塞是在极低温度下观察到的. 观察到的条件是：（e2/2C） >kBT 有人曾统计如果量子点的尺寸为nm,可在室温下观察到 上述效应。量子点是十几nm。上述效应必须在液氮温度下。7 .用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的 图像中能够得到哪些基本信息？三者都是固体样品。要求：TEM：超薄切片SEM：要求样品外表导电，如不导电那么需镀白 金、黄金或碳AFM：样品要求外表较平整，过于凹凸针尖易断。 提供的信息：TEM：晶粒 大小与分布，包括晶界，甚至能看到晶格条纹SEM：颗粒的大小与分布AFM：主要观察薄 膜外表粗糙度.纳米颗粒的高外表活性有何优缺点？如何利用？优点:外表活性高可以吸附储氢,制备高效催化剂实现低熔点材料缺点:容易吸附团 聚容易失活易被氧化而燃烧。应用：外表吸附储氢、制备高效催化剂、实现低熔点材 料等。8 .举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。答：纳米石墨 石墨烯 富勒烯（C60）碳纳米管纳米金刚石薄膜其中石墨烯是二维结构，碳纳米管是一维结构。一维材料：碳纳米管 结构特点：六边形网格翻卷 而成的管状物，管子两端一般有含五边形的半球面网格封口。用途:碳纳米管超级电容器、 碳纳米管储氢材料、碳纳米管吸波剂、碳纳米管异质结构。大规模集成电路。二维材料： 石墨烯结构特点：sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。原子厚的碳薄膜片，C-C键之间以sp2键相连。用途：透明导电薄膜、液晶显示材料、 晶体管集成电路。9 .简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？力学性能：由于纳米晶体材料由很大的外表积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，从 而提高了材料的力学性能，强度变低，塑性变好，韧性变好。热学性能：纳米微粒由于颗粒 小，外表能高，比外表原子数多，活性大。因此，熔点降低，烧结温度降低、晶化温度降低。 光学性能： 纳米颗粒存在量子尺寸效应和界面效应；宽频带吸收：对可见光反射率低； 蓝移现象：吸收波向短波移进；纳米微粒发光：尺寸小于某定值时，特定波长激发下发 光；在溶胶中，胶体的高分散性和不均匀性使其具有特殊的光学性质。10 .何为纳米材料的自组装？用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成局部？ 答: 自组装：纳米材料的自组装是在合适的物理、化学条件下，原子、分子、粒子和其他结构单元，通过氢键、范德瓦尔斯键、静电力等非共价键的相互作用、亲水疏水相互作用，在系统 能量最低性原理的驱动下，自发地形成具有纳米结构材料的过程。组成：外表活性剂、助外表活性剂、有机溶剂和水 25何谓“取向搭接Oriented attachmentv “奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening” ?取向搭接：纳米粒子在自组装过程中 总是在不停地做无规的布朗运动，当相同晶面彼此靠近时，由于晶面上的原子排列和晶格间 距相同，因此可以形成更多的化学键（配位数），从而大大降低体系的自由能。奥斯瓦尔德熟化（或奥氏熟化）是一种可在固溶体或液溶胶中观察到的现象，其描述了一种非均匀结构随时间流逝所发生的变化：溶质中的较小型的结晶或溶胶颗粒溶解并再次沉积到较大型的结晶或溶胶颗粒上。16)17)18)19)20)21)22)23)24)25)26)27)28)29)30)模板材料: 纳米膜： 掺杂: 接枝： 修饰： 缺陷：Template-based synthesis of matencalnanolayer；dope；Graft；modified；dcffcct；Nano materials：Combustion synthesiscarbon nanotubes：纳米材料: 燃烧合成: 碑纳米管: 纳米 H 细装膜：、ano selfassembledI京子团族：Atomic Dusters表曲与界 |hl效应：surface and inteface 小尺寸效应:Small size effect超 分子体 系：super molecular systems隆穿效应：tunneling cttect.为什么金属纳米粉呈现黑色？这是小尺寸效应的表现，当金属粒径小到光波波长以下，金属的反射率极低，故呈现黑色。 13.请举例说明纳米技术的“自上而下”和“自下而上”方法。“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“针尖书写”是“自上而下”的主要技术之一。“自下而上”最典型的例子是3维打印、基因药物。纳米科技研究的技术路线“自下而上”是指以原子、分子为基本单元， 根据人们的意愿 进行设计和组装，从而构筑成具有特 定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。14 .纳米微粒外表修饰的目的是什么？纳米微粒的外表修饰就是用物理、化学方法改变纳米微粒外表的结构和状态，实现人们对纳 米微粒外表的控制. 通过对纳米微粒外表的修饰，可以到达以下4个方面的目的：（1）改 善或改变纳米粒子的分散性；（2）提高微粒外表活性； 使微粒外表产生新的物理、化 学、机械性能及新的功能；（4）改善纳米粒子与其它物质之间的相容性.15 .什么是C60?C60分子是由20个六边形环和12个五边形环组成的球形32面体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互连接；32面体共有60个顶角，每个顶角由一个碳原 子占据，这种32面体也可看成是由20面体经截顶后形成的，故又称截顶20面体。1 .纳米尺度是指l100nm。2 .纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学。3 .纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。4 .当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度到达纳米范围尺寸时，可将此类材料称 为低维材料。5 . 一维纳米材料中电子在2_个方向受到约束，仅能在 1 个方向自由运动，即 电子在2个方向的能蚩已量子化。一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广 泛关注的，又称为蚩子线 。6 . 1997年以前关于Au、Cu. Pd纳米晶样品的弹性模蚩值明显偏低，其主要原因 是材料的密度偏低。7 .纳米材料热力学上的不稳定性表现在纳米晶粒容易长大和祖变两个方 面。8 .纳米材料具有高比例的内界面，包括晶界、相界、畴界等。9 .根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：水溶液溶胶-凝胶法和 醇盐溶胶凝胶法10.隧穿过程发生的条件为 回。2 。11 .磁性液体由三局部组成：磁性颗粒、外表活性剂和基液。12 .随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙熠加，相应的吸收光谱和灵光光谱将向 短波方向移动，即蓝移。13 .光致发光指在 一定波长光 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的 。在激发停止后还继续发射一定时间的光为 磷光。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：扶手椅型、锯齿型、螺 旋型. STM成像的两种模式是恒电流模式和恒高度模式。173TM、AFM的基本原理是什么？相比SEM、TEM有哪些优点？ STM的基本原理是利用 量子理论中的隧道效应，当金属探针与样品外表间距小到lnm左右时，就会出现隧道效应， 电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流一一隧道电流。STM具有原子级的高 分辨率，其在平行和垂直于样品外表方向的分辨率分别可达O.lnm和O.Olnm；可以观察单 个原子层的局部外表结构，因此可以直接观察到材料外表的缺陷、外表重构、外表吸附体的 形态和位置，以及由吸附引起的外表重构。另外，STM在成像时对样品呈非破坏性，实验可 在真空或大气及溶液中进行。AFM是利用针尖与样品外表原子间的微弱作用力来作为反 馈信号。AFM的分辨率横向可达O.lnm,纵向为O.Olnm,不受样品外表导电性的限制， 对工作环境和样品制备的要求比电镜要求低得多，不仅可以用于真空、大气，甚至可应用于 溶液中。18 .纳米材料晶态的表征方法有哪些？ XRD （X射线衍射）、TEM （透射电子显微镜）.为什么普通光学显微镜无法用于纳米材料显微结构的表征？光学显微镜测定范围为0.2150um,因此光学显微镜适合于亚微米和微米级的测定，并不 适合纳米尺寸范围颗粒的测定。19 .介孔材料及其结构特点？ 孔径大于50nm的孔称为大孔，小于2nm的孔称为微孔，孔 径为250nm的多孔材料称为介孔材料。介孔材料具有以下特点：（1）长程结构有序（2） 孔径分布窄并可在l.510nm之间系统调变（3）比外表面积大，可达1000 nf/g （4）孔隙率 高（5）外表富含不饱和基团等。第1章纳米微粒的基本特性1.1 久保理论尺寸效应1.2 外表与界面效应体积效应1.3 量子尺寸效应宏观量子隧道效应宏观特性热学性能1.4 力学性能磁学性能1.5 光学性能催化性能第2章纳米颗粒的结构与物理和化学特性颗粒的结构与形貌2.1 物理特性2.1.1 热学2.1.2 磁学2.1.3 光学2.1.4 外表与界面活性化学特性2.1.5 吸附非电解质吸附电解质吸附2.1.6 团聚与分散团聚分散2.1.7 流变特性第3章纳米颗粒和纳米固体材料的制备3.1 气相法制备纳米颗粒3.1.1 气体冷凝法（低压气体中蒸发法）活性氢一熔融金属反响法3.1.2 溅射法流动液面上真空蒸镀法3.1.3 通电加热蒸发法混合等离子法3.1.4 激光诱导化学气相沉积（LICVD）爆炸丝法3.1.5 化学气相凝聚法（CVC）和燃烧火焰一化学气相凝聚法（CFCVC）液相法制备纳米颗粒3.1.6 沉淀法3.1.7 喷雾法3.1.8 水热法（高温水解法）3.1.9 溶剂挥发分解法3.1.10 溶胶一凝胶法（胶体化学法）3.1.11 辐射化学合成法3.1.12 多元醇法3.1.13 微乳液法3.1.14 低温燃烧合成法3.1.15 冷冻干燥法固相法制备纳米颗粒3.1.16 机械法爆轰法3.1.17 固相合成法机械力化学合成3.2 纳米固体材料的制备纳米金属与合金材料的制备3.2.1 纳米相陶瓷的制备纳米薄膜和颗粒膜的制备第四章纳米材料制备过程中的机械理化学效应4.1 基本概念无机材料在机械力作用下发生的效应第五章纳米材料的表征5.1 颗粒粒度分析5.1.1 电镜观察法5.1.2 激光粒度分析法5.1.3 沉降法粒度分析5.1.4 电超声粒度分析法结构表征5.1.5 电子显微镜分析5.1.6 振动光谱技术和核磁共振5.1.7 X射线结构分析技术524 X射线光电子能谱5.2.5 扫面隧道显微术5.2.6 原子力显微术性能表征5.3.1 力学性能5.3.2 热学性质5.3.3 光学性质5.3.4 磁性5.3.5 电学性质5.3.6 扩散问题第6章纳米复合材料的结构与性能6.1 复合涂层材料高力学性能材料6.2 高分子基纳米复合材料磁性材料6.3 光学材料高介电材料6.4 仿生材料第7章纳米结构和纳米材料的应用7.1 纳米结构的应用量子磁盘与高密度磁存储7.1.1 高密度记忆存储元件单电子晶体管的用途7.1.2 高效能量转化纳米结构超微型纳米阵列激光器7.1.3 光吸收的过滤器和调制器微型传感器7.1.4 纳米结构高效电容器阵列超高灵敏度电探测器和高密度电接线头7.1.5 纳米结构离子别离器7.2纳米材料的应用纳米材料的应用7.1.6 陶瓷增韧磁性材料7.1.7 纳米微粒的活性及其在催化方面的应用在生物和医学上的应用7.1.8 光学应用在其他方面的应用