纳米作业及答案 完整版

绪论

1、 什么是纳米科学技术？纳米科技的主要研究内容有哪些？

定义：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(10–9m) 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。

纳米科技的主要研究内容:

（1） 创造和制备优异性能的纳米材料；

（2） 制备各种纳米器件和装置；

（3） 探测和分析纳米区域的性质和现象。

2、 纳米材料的定义？按照结构维度划分，纳米材料可以分为哪几类？ 纳米材料(Nanomaterials)的定义:

把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围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在1-100纳米范围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。 按结构维度( the number of dimensions）分为5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)

3、 纳米科技的最终目标是什么？

纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

4、 制造纳米产品的技术路线有哪些？

制造纳米产品的技术路线可分为两种：

―自上而下‖ (top down) ：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。

如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。

特点：尺寸从大到小

―自下而上‖ (bottom up) ：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，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。

如：化学合成、自组装、定位组装等。

5、 名词解释：纳米结构，纳米组装体系，纳米结构人工组装体系，纳米结构自组装体系。

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。

纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管及纳米尺寸的孔洞为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类:

一是人工纳米结构组装体系；

二是纳米结构自组装体系。

人工纳米结构组装体系是按人类的意志，利用物理和化学的方法人工将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。

纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。

第一章

1、 什么是团簇？有哪些分类？其研究内容有哪些？有哪些奇异的特性？

定义:原子团簇，简称团簇，是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化.

分类：

(1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70

(2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm

(3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m

(4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结合形成的化合物(例如，某些含Fe-S 团簇的蛋白质分子) 。

研究内容:

1. 团簇的基本研究问题之一就是揭示团簇产生机理。

2. 团簇研究的的另一个基本问题是固体的电子能带结构是如何形成和发展的。 奇异的特性：

1）极大的比表面积。

2）异常高的化学和催化活性。metal

3）光的量子尺寸效应和非线性效应。

4）电导的几何尺寸效应。carbon

5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性。

6）碳管、碳葱的导电性。

2、 富勒烯可能在哪些方面得以应用？

1). 它可能成为继Si 、Ge 、GaAs 之后的又一种新型半导体材料。

2）C60和C70是一种良好的非线性光学材料。

3). 合成金刚石的理想原料

4). 富勒烯虽然是非常稳定的分子，但化学性质却是很活泼的。

5). 增强金属

6). 新型催化剂

7). C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物，形成新的分子团簇。

3、 什么是纳米微粒？与微米微粒和原子团簇有何区别？

纳米微粒、微米颗粒与原子团簇的区别不仅仅反应在尺寸方面，更重要的是在物理与化学性质方面的显著差异。

一般微米颗粒不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；

团簇具有量子尺寸效应和幻数效应；

而纳米颗粒不具有幻数效应。

4、 什么是人造原子？与真正原子的区别在哪里？

所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的具有显著量子力学特征的人造聚集体，它们的尺寸小于100 nm 。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电

子能级结构，因此―人造原子‖有时称为―量子点‖。

相似之处：

首先，人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子都是以轨道的形式运动。其次，电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪德定则。

不同之处：

1）人造原子含有一定数量的真正原子；

2）形状和对称性多种多样(形貌) ，真正原子可用球形或立方形描述。

3）电子间强交互作用比实际原子复杂得多(多电子交互作用) 。

5、合成纳米碳管的常有方法有哪些？ 电弧放电法, 激光烧蚀法, 化学气相沉淀法, 催化电弧法

6、单壁碳管按结构可以分为哪几类？

单壁碳纳米管, 锯齿形碳纳米管, 手性形碳纳米管

7、何谓准一维纳米材料？

准一维纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大很多，甚至为宏观量(如毫米级、厘米级等) 的纳米材料。

根据具体形状可以分为：纳米棒、纳米管、纳米线、纳米带、纳米螺旋、同轴纳米电缆等。

第二章

1、 名词解释：

表面效应:是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。

量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时，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纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HOMO)和最低未被占据的分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽现象，称为量子尺寸效应。

小尺寸效应:当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与) 磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。

库仑堵塞效应:通常把小体系这种单电子运输行为，称为库仑堵塞效应。 量子隧道效应: 电子由一个粒子跃到另一个小导体的行为

宏观量子效应:为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应。

2、 久保理论的两个主要假设是什么？

(i) 简并费米液体假设：

久保把超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，而准粒子之间交互作用可忽略不计。

(ii)超微粒子电中性假设：

久保认为：对于一个超微粒子取走或放入一个电子都是十分困难的。

第三章

1、 纳米颗粒熔点下降的原因是什么？

由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平均配位数降低，这些

表面原子近邻配位不全，具有更高的能量，活性大(为原子运动提供动力) ，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

2、 纳米材料电阻温度系数出现负数的原因是什么？

• 纳米材料体系有大量界面，电子界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋向于饱和值，随温度的变化趋缓。 （电阻增加）

• 当粒径超过一定值时，量子尺寸效应造成的费米面附近的电子能级离散性不可忽视，最后温度升高造成的热激发电子对电导的贡献增大(类似与半导体) ，即电阻温度系数变负。

• （电阻减小）

• 久保理论:1K，14nm 银发生量子尺寸效应。

3、 纳米结构材料高的介电常数的原因是什么？

(1)界面极化(空间电荷极化)

纳米固体界面中存在大量悬挂键、空位以及空洞等缺陷，在电场作用下，正负间隙电荷分别向负正极移动，电荷运动结果聚积在界面的缺陷处，在界面两侧形成了电偶极矩，即界面电荷极化。

同时，纳米粒子内部存在晶格畸变及空位等缺陷，可能产生界面极化。

界面极化对介电贡献比常规粗晶材料大，这就导致纳米固体具有高的介电常数。

(2)转向极化

纳米氧化物如 -Al2O3除了共价键外，还存在大量离子键(63%)，因此，在原子排列较混乱的庞大界面中及具有较大晶格畸变和空位等缺陷的纳米粒子内部会存在相当数量的氧离子空位。

这些空位带正电荷。与带负电荷的氧形成固有电矩，在外电场作用下，它们改变方向形成转向极化(出现介电峰) 。

转向极化是纳米材料的较高介电常数的重要因素之一。

(3)松弛极化

它包括电子松弛极化(弱束缚电子在外场作用下从一个阳离子结点向另一个阳离子结点转移产生的) 和离子松弛极化(弱束缚离子在外场作用下从一个平衡位置向另一个平衡位置转移产生的) 。它们对纳米材料介电常数起作用。

纳米材料的极化通常有几种机制同时起作用，特别是界面极化(空间电荷极化) 、转向极化和松弛极化(电子或离子的场致位移) ，它们对介电常数的贡献比常规材料高得多，因此呈现出高介电常数。

4、 什么是压电效应？

某些晶体受到机械作用(应力或应变) 在其两端出现符号相反的束缚电荷的现象称为压电效应。实质上是晶体介质极化引起的。

纳米非晶氮化硅块体上观察到强的压电效应，

传统的非晶氮化硅粒径达到微米数量级，界面急剧减少(小于0.01％) 导致压电效应为0。

换句话说纳米非晶氮化硅块体的压电性是由界面产生的，而不是颗粒本身。 颗粒越小，界面越多。缺陷偶极矩浓度越高，对压电性的贡献越大。

5、 什么是出现超顺磁态的原因？处于超顺磁状态的材料具有哪些特点？

• 当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向) 减小到与热运动能相比拟，在热扰动作用下，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。

• 因为不同材料磁各向异性能不同，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的。

6、 纳米颗粒的矫顽力与其尺寸的关系是什么？

晶粒直径D 有三个临界尺寸。

当D>Dc时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，Hc 相对较小；

当D

当dth

当D

7、 为什么只有Cu 膜里的纳米Co 粒子体积分数达到一定值时，才会出现巨磁电阻极大值？

• 当Fe 、Co 颗粒体积百分数较小时，影响巨磁电阻的因素有3个方面： • 一是散射中心减少 电导提高

• 二是颗粒之间间距大于电子平均自由程

• 电导提高

• 三是颗粒尺寸下降 电导下降

• 前两个因素引起巨磁电阻下降，最后一个因素引起巨磁电阻升高，前二者的权重大，总巨磁电阻较低；

• 颗粒体积百分数较高时，颗粒尺寸变大，

• 当颗粒尺寸大于电子平均自由程，甚至形成了磁畴，这时大尺寸颗粒成为影响巨磁电阻的主要因素，它导致了巨磁电阻的下降。

• 因此，在一定的颗粒体积百分数下，巨磁电阻呈现极大值。

8、 为什么纳米材料出现红外吸收谱宽化现象？

纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因：

1）尺寸分布效应：晶格畸变

• 纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。

• 这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙也有一个分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。

2）界面效应：

• 界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。

9、什么是蓝移？蓝移的原因是什么？

蓝移即吸收带移向短波长方向

原因:1,量子尺寸效应, 由于颗粒尺寸能隙变宽, 导致光吸收带移向短波长方向. 2, 表面效应, 由于纳米颗粒小, 大的表面张力使晶粒畸变, 晶格常数变小

10、纳米晶材料硬度与尺寸的关系是什么？

硬度与尺寸关系有几种情况

1）正Hall-Petch 关系K>0：与常规晶粒一样，硬度随尺寸减小而增大

2）负Hall-Petch 关系 K

3）正－反Hall-Petch 关系，硬度随尺寸尺寸平方根的变化不是单调上升或下降，存在一个拐点，即K 有一转折点，

11、吸附可分为哪几类？各有什么特点？

1, 物理吸附, 吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力之类较弱的物理力结合,, 2, 化学吸附, 吸附剂与吸附相之间是以化学键结合,1非电解质的吸附2电解质吸附

12、防止小颗粒团聚的方法是什么？

为了防止小颗粒的团聚可采用下面几种措施：

(1)加入反絮凝剂形成双电层

(2)加表(界) 面活性剂包裹微粒

13、光催化的基本原理是什么？纳米颗粒光催化效率显著提高的原因是什么？ 光催化的基本原理是：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。

随着的尺寸减小，半导体催化剂的光催化效率可以显著提高。有以下3方面的原因：

(i)能隙变宽

(ii)电子空穴分离效率高

(iii)吸附能力强

第五章

1、根据制备状态的不同，纳米微粒的方法可分为哪几类？

气相法, 固相法, 液相法

2如何用气相法制备纳米微粒？常用的加热源有哪些？

1）电阻加热；

2）高频感应加热；

3）激光加热；

4）电子束加热；

5）微波加热；

6）电弧加热。

3、 如何用气体冷凝法制备纳米微粒？其优缺点有哪些？

气体冷凝法是在低压的氦、氩等惰性气体中加热金属、合金或陶瓷使其蒸发气化，然后与惰性气体碰撞冷凝形成超微粒(1—1000 nm) 或纳米微粒(1—100 nm) 的方法。

气体冷凝法优点：

1）设备相对简单，易于操作。

2）纳米颗粒表面清洁,

3）粒度齐整，粒度分布窄，

4）粒度容易控制。

缺点：

难以获得高熔点的纳米微粒。

主要用于Ag 、Al 、Cu 、Au 等低熔点金属纳米粒子的合成。

4、等离子体电弧法制备纳米颗粒的工作原理是什么？其优缺点有哪些？

电流场作用下，电流密度很大，气体近完全电离，成为电弧等离子体，温度很高，

使材料气化。

1）等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微粒。

2）金属或合金可以直接蒸发、急冷而形成原物质的纳米粒子，为纯粹的物理过程；

而金属化合物，如氧化物、碳化物、氮化物的制备，一般需经过金属蒸发→化学反应→急冷，最后形成金属化合物纳米粒子。

缺点：等离子体喷射的射流容易将金属熔融物质本身吹飞，这是工业中应解决的技术难点。

5、 化学气象沉积CVD 法制备纳米材料的基本原理是什么？根据反应类型可分 为哪些具体类型？各有什么特点？

化学气相沉积定义CVD ：Chemical Vapour Deposition

是指在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。

分类 ： 根据反应类型不同分为热解化学气相沉积、化学合成气相沉积、化学输运反应

1）热解化学气相沉积是指一般在简单的单温区炉中，于真空或惰性气氛下加热衬底至所需温度后，导入反应气体使之发生热分解，最后在衬底上沉积出纳米材料。

2）化学合成气相沉积法通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成出相应的化学产物，冷凝而制备各类物质的微粒。

3）化学输运反应把所需要的物质当做源物质，借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带(用载气) 输运到与源区温度不同的沉淀区，再发生逆向反应，使得源物质重新沉淀出来，这样的过程称为化学输运反应。上述气体介质叫做输运剂。

6、液相法如何制备纳米微粒？其优点是什么？

液相法是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米微粒。

优点：液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确等优点，主要用于氧化物系超微粉的制备。

7、沉淀法制备纳米微粒的原理是什么？沉淀法可分为哪几类？简述各类沉淀法的原理。

沉淀法(precipitation method)是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH--，CO32-，C2O42-等) 后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子除去，可直接或经热分解得到所需化合物纳米粒子的方法。

分类：沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法、直接沉淀法、金属醇盐水解法等。

1) 共沉淀法：含多种(两种或两种以上) 阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法制备纳米微粒的方法称共沉淀法。

(2)均相沉淀法：一般的沉淀过程是不平衡的，均相沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀的释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。

(3) 直接沉淀法：

直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法。原理：在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。

(4) 金属醇盐水解法：是利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解反应，生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性来制备超细粉末的一种方法。

8. 喷雾法的原理是什么？其基本过程是什么?

• 喷雾法是指溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。

• 它的基本过程是溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理。

9、水热釜按压力可分为哪些种类？

按压力方式：①自生压力型；②气体导入型

10、水热法制备纳米材料的特点是什么？优缺点有哪些？按照水热反应的类型不同，有哪些分类？

水热技术具有以下特点：

1）、其温度相对较低。对比气相法

2）、在封闭容器中进行，避免了组分的挥发。

3）、体系一般处于非理想、非平衡状态。

4）、溶剂处于接近临界、临界或超临界状态。

优点：

(1) 水热可直接得到分散且结晶良好的微粒

(2) 该法生产的粉体有较低的表面能

缺点：

1）一般只能制备氧化物粉体

2）水热法需要高温高压步骤

11、溶胶-凝胶法制备纳米材料的原理是什么？优缺点有哪些？简述其化学过程。 溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。主要用来制备薄膜和粉体材料。 溶胶－凝胶法制备纳米粒子的基本原理：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机纳米材料(氧化物和其它固体化合物) 。

溶胶—凝胶法制备纳米微粒的优缺点如下：

(i)化学均匀性好：由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。

(ii)高纯度：粉料(特别是多组份粉料) 制备过程中无需机械混合。

(iii)颗粒细：胶粒尺寸小于0.1um 。

(iv)该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化。不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中。不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。

(v)烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，即体材料烧结性不好。

(vi)凝胶干燥时收缩大。

溶胶-凝胶法的化学过程是首先将原料分散在溶液中，然后经过水解反应生成活

性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定结构的凝胶，最后经过干燥和热处理得纳米粒子，即经由分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态(或非晶态) 的过程。

12、溶胶、凝胶和沉淀的区别在哪里？

溶胶、凝胶和沉淀的区别

• 溶胶（Sol ）是由孤立的细小粒子或大分子组成，分散在溶液中的胶体体系。

• 凝胶（Gel ）是一种由细小粒子聚集而成三维网状结构的具有固态特征的胶态体系，凝胶中渗有连续的分散介质。

• 沉淀物（precipitate ）由孤立粒子聚集体组成。

13、什么是凝胶？哪些方法可以获得凝胶？

凝胶是一种孔洞尺寸小于微米、 并且连接网状的聚合物链的平均长度大于1个微米的相互连接的刚性网络结构。

溶胶的制备；溶胶—凝胶转化；凝胶干燥。

14、简述高能球磨制备纳米微粒的步骤及该方法优缺点。

工艺过程有以下几个步骤组成：

1）根据所制产品的元素组成，将由两种或多种单质或合金粉末组成初始粉末。

2）选择球磨介质，根据所制产品的性质，在钢球、刚玉球或其他材质的球中选择一种组成球磨介质。

3）把初始粉末和球磨介质一起按一定的比例放入球磨机中球磨。 高能球磨法制备纳米微粒的优点：

产量高；

工艺简单；

能制备出用常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料。

缺点：

晶粒尺寸不均匀；

易引入某些杂质。

15、制备纳米相块体金属材料的方法有哪些？制备纳米相块体陶瓷材料的方法有哪些？

纳米相块体金属材料制备方法：

1. 惰性气体蒸发、原位加压制备法

2. 机械球磨法

3. 非晶晶化法

4. 严重塑性变形法

5. 快速凝固法

6. 电解沉积法

7. 磁控溅射法

纳米相块体陶瓷材料的制备方法：

1. 无压烧结法

2. 热压烧结法

3. 微波烧结法

16、什么自组装？

自组装（self-assembly ）是在无人为干涉条件下，组元通过非共价键相互作用自发地缔结成热力学上稳定、结构上确定、性能上特殊的聚集体的过程。

17、模板法制备纳米材料的原理是什么？根据模板的特点，模板法可分为哪几类？各分类有什么共性与区别？

模板法的原理：设想存在一个纳米尺寸的笼子(纳米尺寸的反应器) ，让原子的成核和生长在该―纳米反应器‖中或壁上进行。在反应充分进行后，―纳米反应器‖的大小和形状就决定了作为产物的纳米材料的尺寸和形状。无数多个―纳米反应器‖的集合就是模板合成技术中的―模板‖。

模板法根据其模板自身的特点和局限性的不同可以分为―硬模板‖法和―软模板‖法。

二者的共性是都能提供一个有限大小的反应空间

区别在于前者提供的是静态的孔道，物质只能从开口处进入孔道内部，而后者提供的则是处于动态平衡的空腔，物质可以透过腔壁扩散进出。

18、常用的硬模板和软模板有哪些？

经常使用的硬模板包括分子筛，多孔氧化铝膜，径迹蚀刻聚合物膜，聚合物纤维，纳米碳管和聚苯乙烯微球等等

第六章

1、显微镜法测量颗粒粒径的优缺点有哪些？沉降法测量颗粒粒径的优缺点有哪些？

显微镜法优缺点：

优点

• 可直接观察粒子形状

• 可直接观察粒子团聚

缺点

• 代表性差

• 重复性差

• 测量投影面积直径

• 速度慢

沉降法优缺点：

优点

• 测量重量分布

• 代表性强

• 经典理论, 不 同 厂 家仪器结果对比性好

• 价格比激光衍射法便宜

缺点

• 对于小粒子测试速度慢, 重复性差

• 非球型粒子误差大

• 不适应于混合物料

• 动态范围比激光衍射法窄

2、电子与物质相互作用，可以获得哪些有用信息？

从样品中激发出各种有用的信息，主要有：

1) 二次电子

2) 背散射电子

3) 透射电子

4) 吸收电子

5) 特征X 射线(光子)

6) 俄歇电子

7) 阴极荧光

8) 感应电动势

9) 弹性与非弹性散射电子

3、透射电子显微镜TEM 系统包括哪些部分？简述TEM 成像过程。 包括电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分

4、电子枪类型有哪些？各有什么特点？

电子枪的类型有热发射

即通过加热来使整个枪体发射电子

热发射的电子枪其主要缺点是枪体的发射表面比较大并且发射电流难以控制。 场发射

是通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。

5、TEM 图像为衬度像，图像衬度包含哪些类型的衬度？

振幅衬度和相位衬度

6、电子衍射与X 射线衍射相比的优缺点有哪些？单晶、多晶、非晶电子衍射花样各有什么特征？

电子衍射与X 射线的衍射相比的优点：

• 1）电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。

• 2）物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X 射线一万倍，曝光时间短。

• 摄取电子衍射花样的时间只需几秒钟，而X 射线衍射则需几分钟到数小时。

• 3）衍射角很小，一般为1-2度。

不足之处：

• 电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X 射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构。

• 此外，散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X 射线复杂；在精度方面也远比X 射线低。

电子衍射花样特征：

单晶体： 一般为斑点花样；

多晶体： 同心圆环状花样；

无定形试样（准晶、非晶）：弥散环。

7、扫描电子显微镜SEM 由哪些基本部分组成？

电子光学系统，

信号收集处理、图像显示和记录系统，

真空系统。

8、SEM 样品制备的步骤有哪些？SEM 分析样品的优缺点有哪些？

样品制备大致步骤：

1. 从大的样品上确定取样部位；

2. 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面；

3. 清洗；

4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理。

优点：

1) 仪器分辨本领较高，通过二次电子像能够观察试样表面30 Å左右的细节。

2) 放大倍数变化范围大(一般为l0—800000倍) ，且能连续可调。

3) 观察试样的景深大，图像富有立体感。可用于观察粗糙表面，如金属断口、催化剂等。

4) 样品制备简单。

缺点：

不导电的样品需喷金(Pt、Au) 处理，价格高，分辨率比TEM 低。

9、扫描隧道显微镜STM 针尖的扫描方式有哪些？各有什么特点？.

A 恒流模式, 速度慢B 恒高模式, 成像速度快

10、 S TM 的优缺点有哪些？

STM 的特点：

优点：

1. 具有原子高分辩率。横向：0.1 nm, 纵向：0.01nm 。分辩率最高。

2. 可实时得到在实空间中表面的三维图像；

3. 可以观察单个原子层的局部表面结构。

4. 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至水中也可以，而且对样品无损。

5. 不仅可以观察还可以搬动原子。

缺点：

• 要求高：

• 防震，高真空，防温度变化。

• 电导率在10-9S/m以上的样品可以满足常规STM 测试的要求。如果样品的导电性很差。最好使用银或金导电胶将其固定，并进行镀金处理。 • 在恒流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探测。

• 恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。

11、 原子力显微镜AFM 的基本原理是什么？

将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定。另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10-8--10-6N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系(遵循胡克定律△F=-kΔx ，k 为微悬臂的力常数) 。

也就是说，微悬臂的形变是对样品－针尖相互作用的直接测量。

12、 A FM 的工作模式有哪些？各有什么特点？

工作模式:接触式, 非接触式, 轻敲式

扫描模式:1恒力模式2 恒高模式

13、 激光拉曼光谱的基本原理是什么？

当激光照射到物质上时，由于光量子(hv 0) 与其(物质内分子或原子振动能级h v 1) 碰撞，散射光中除与反射光频率相同的散射光外，还有比激光波长更长或短的散射光。

14、电子探针有哪些分类？简述各分类的工作原理与特点。

分类

(1)波长分散谱仪WDS

工作原理：X 射线在样品表面1微米至纳米数量级体积内激发出来，射到样品上方的分光晶体上，根据布拉格定律2dsin θ=nλ，从试样中发出的特征X 射线，经过一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X 射线将有不同的衍射角。 WDS 特点：

• (1)分析速度慢

单个元素测量，做全分析时间较长。

• (2)分辨率高：10eV

• (3)测量精度高，多用于超轻元素Z

• (4)峰背比大

背底扣除容易，数据处理简单。

• (5)分析元素范围：4Be －92U

• (6)样品表面要求平整、光滑。

（2）能量分散谱仪EDS

工作原理：

• X 射线光子进入Si 晶体内，将产生电子－空穴对，在100K 左右温度时，每产生一个电子－空穴对消耗的平均能量为3.8 eV(ε) 。能量为E 的X 射线光子所激发的电子－空穴对数N 为 N ＝E ／ε，入射X 射线光子能量不同，所激发的电子－空穴对数N 也不同，探测器输出电压脉冲高度由N 决定。

EDS 特点：

(1)分析速度快

(2)分辨率较低：150eV

(3)峰背比小、谱峰宽、易重叠，背底扣除困难，数据处理复杂

(4)分析元素范围：11Na －92U

(5)进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。

(6)对样品污染作用小

(7)适于粗糙表面成分分析，不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏2－3mm 。

(8)工作条件：探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。

15、XPS 的特点有哪些？

• (1)、可以分析除H 和He 以外的所有元素；

• (2)、可以直接测定来自样品单个能级发射光电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。

• (3)、从能量范围看，电子能谱提供的信息可称作―原子指纹‖。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。

• (4)、是一种无损分析。

• (5)、是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8g 即可，绝

对灵敏度高达10-18g ，样品分析深度约2nm 。

16、简述俄歇电子发射过程。

当原子内层(壳) 电子因电离激发而留下一个空位时，较外层电子向这一能级跃迁使原子释放能量的过程中，可以发射一个具有特征能量的X 射线光子，也可以将这部分能量以无辐射弛豫传给另外一个外层电子引起进一步电离，从而发射一个具有特征能量的俄歇电子，检测出它的能量和强度，可获得表层在化学成分和定量信息。