纳米材料与器件 考试重点

一． 符号翻译（5×2分=10分）

1． PVD ：Physical Vapor Deposition，物理气相沉积。

2． PLD ：Pulsed Laser Deposition，脉冲激光沉积。

3． CVD ：Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积。

4． Template synthesis：模板法合成。

5． CMC ：临界胶团浓度。

6． SEM ：Scanning Electronic Microscopy，扫描电子显微镜。

7． TEM ：Transmission Electron Microscopy，透射电子显微镜。

8． AFM ：Atomic Force Microscopy，原子力显微镜。

9． XRD ：X-Ray Diffraction，X 射线衍射法。

10． XPS ：X-ray Photoelectron Spectroscopy，X 射线光电子能谱法。

11． EDX ：X 射线能谱仪装置。

12． SAED ：Selected Area Electron Diffraction，选区电子衍射。

13． CNT ：Carbon Nanotube，碳纳米管。

14． EQE ：External Quantum Efficiency，外量子效率。

15． IQE ：Internal Quantum Efficiency，内量子效率。

16． AM ：Air Mass，大气光学质量。

17． DSSC ：Dye-Sensitized Solar Cells，染料敏化太阳能电池。

18． HOMO ：Highest Occupied Molecular，最高已占轨道。（价带）

19． LUMO ：Lowest Unoccupied Molecular，最低未占轨道。（导带）

20． QDSSC ：量子点敏化太阳能电池。

二． 名词解释（5×3分=15分）

1． 纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm ）或由它们作为基本单元构成的材料。

2． 纳米结构：指尺寸在100纳米以下（1-100 nm）的微小结构。

3． 纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术。

4． 多晶体：由许多小晶粒组成的晶体，晶粒之间的排列没有规则。（各向同性） 单晶体：本身就是一个完整的大晶粒。（各向异性）

5． 二次电子：在入射电子束作用下，被轰击出来并离开样品表面原子的核外电子。

6． 特征X 射线：原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的电磁波。

7． 同素异形体：相同元素组成的不同形态的单质。

8． 外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

9． 内光电效应：光照射在半导体上，电子吸收光子能量脱离原子核的束缚成为自由电子，使该物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象。

10． 扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

11． 光谱响应（SR ）：太阳能电池产生的电流大小与入射能量之比。

12． 收集概率：光生载流子被p-n 结收集并参与到电流流动的概率。它的大小取决于光生载流子需要运动的距离和电池的表面特性。

收集概率与载流子的生成率决定了电池的光生电流的大小。电池表面的生成率是最高的。

13． 天顶角（z ）：入射光线与地面法线间的夹角。

AM1.5标准太阳光谱：在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19° AM0—地球大气层外；AM1—赤道。

14． 太阳能模拟器：用人造光源来模拟太阳光。实现标准地面阳光条件，用于太阳能电池

的测试。可分为A 、B 、C 三个等级。

三． 填空（5×3×1分=15分）

1． 纳米材料根据形貌结构可分为：零维纳米材料（量子点）、一维纳米材料（线、带、管

等）、二维纳米材料（石墨烯等）、三维纳米材料（多级纳米结构）。

2． 纳米材料的“四大效应”：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应

3． 两种制备思路：“top-down ”、“bottom-up ”；两类制备方法：物理法、化学法。

4． “模板法”根据其模板自身的特点可分为“硬模板”法和“软模板”法。硬模板有分子

筛、多孔氧化铝膜（AAO ）、聚苯乙烯微球、聚合物纤维和碳纳米管等。软模板通常为两亲性分子形成的有序聚集体，包括：胶束、反向微乳液、液晶等。

5． 纳米材料生长机理：成核→晶粒→晶体生长。

① 定向附着生长（oriented attachment ）：多个取向不一致的单晶纳米颗粒，通过粒子

的旋转使晶格取向一致，后使这些小单晶生长成一个大单晶的过程。

② 柯肯达尔效应（Kirkendall effect）：指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成

缺陷这一现象。

③ 奥斯瓦尔多熟化（Ostwald ripening）：较大的晶体微粒进一步增大，而小的晶体微粒

进一步变小，大粒子依靠摄取小粒子的质量进行生长。

6． 扫描电镜由、和组成。

电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。

7． 背散射电子：被固体样品原子反射回来的那部分入射电子。包括性背散射电子。

8． 富勒烯C 2n ，n=10、12、13、14„„（没有11）

所有富勒烯结构的五边形个数为

9． 根据碳六边形沿轴向的取向，可将碳纳米管分成：性纳米管三种。

10． 出现出，如果五边形恰好出现在

碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管向内凹进。

11． 太阳能电池分为，其中晶体硅电池又分为单晶硅电池和多晶硅电池，薄膜电池又分为非晶硅电池和化合物薄膜电池。

12． 光电效应分为

13． 导带中的电子落入价带中空穴，电子-空穴对消失的现象称为量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。

14． 载流子的复合机理有：、、、。

15． 敏化剂的种类：、、

16． DSSC 的电解质按物理状态分为、

四． 问答题（6×10分=60分）

1． 纳米材料的发展历程：

第一阶段：探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能。

第二阶段：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料。

第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。

2． 纳米材料的应用：

① 天然纳米材料。海龟、鸽子等生物的导航

② 纳米磁性材料。磁记录材料

③ 纳米半导体材料。大规模集成电路器件、光电器件

④ 纳米传感器。温度传感器、红外线检测仪、汽车尾气检测仪

⑤ 纳米陶瓷材料。高强度、高韧性、高延展性的陶瓷

⑥ 纳米催化材料。

⑦ 医疗上的应用。

⑧ 家电。多功能塑料

⑨ 环境保护。功能独特的纳米膜探测并消除污染

⑩ 纺织工业。

⑪ 机械工业。

⑫ 能源器件。锂离子电池和超级电容器

⑬ 护肤品。

3． 纳米技术未来的挑战：

① 纳米材料需要更强、更轻、更硬、更安全、可自我修复。

② 纳米电子学、光电子学和磁学。

③ 高级保健、治疗和诊断。

④ 纳米工艺环境的改善。

⑤ 高效的能量转换和存储。

⑥ 微飞行器的空间探索和工业化。

⑦ 用生物纳米传感器进行生物威胁检测。

⑧ 经济、安全的运输。

⑨ 国家安全。

4． 光刻技术及工艺步骤：

衬底的准备→涂光刻胶→前烘→曝光→显影→硬烘→刻蚀或离子注入→去除光刻胶

5． 几种碳纳米材料的特点和应用

①富勒烯

溶解特性。富勒烯是迄今发现的唯一在室温下溶于常规溶剂的碳的同素异性体。富勒烯在大部分溶剂中溶得很差，通常用芳香性溶剂。

新型催化剂材料。在富勒烯分子的中心空隙加入一些具有催化性能的金属原子，制成一类新的催化剂。

超导。金属掺杂的C 60有超导性。

非线性光学器件。富勒烯的非线性光学性能优越，C 60薄膜具有很高的光学效率。 有机太阳能电池应用。

②碳纳米管

碳纳米管硬度高、质量小、柔韧性好，是理想的高强度纤维材料。

用碳纳米管生产体积更小的晶体管。

利用碳纳米管可制成安全清洁的能源，还可作为催化剂载体和膜材料。

利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳、纳米尺度的导线。

碳纳米管作为锂离子电池的电极材料。

③石墨烯

世上最薄、最坚硬的纳米材料，几乎完全透明，导热系数高，电阻率低，电子迁移速度快。适合用来制造透明保护层、新型电子元件或晶体管、太阳能电池等。

6． 太阳能的优点和缺点

优点：太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它分布广阔，获取方便；不会污染环境，没有废水、废渣、废气的排放；可以就地开发利用，不存在运输问题。

缺点：能源密度较低，并且具有间歇性，使其大规模使用的成本和技术难度均很高。

7． 太阳能电池的发展意义

传统能源会导致环境污染、温室效应和能源枯竭问题。再叙述太阳能电池的优点。

8． 光电效应与光伏效应的区别

（1） 光电效应是光伏效应的前提，光伏效应是光电效应作用于半导体而产生电动势。

（2） 产生光伏效应的材料只能是半导体，而产生光电发射效应的材料可以是金属。

（3） 光伏效应是少数载流子过程。

（4） 载流子在光伏效应中不能离开材料，而在光电发射效应中可以离开材料。

（5） 光伏效应对于光谱有一定的吸收谱并且与光强有关；光电发射效应存在截止波长，

电子逸出速度与光强无光，只与频率有关。

9． 光伏效应的原理

太阳能电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在P 区、空间电荷区和N 区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。 光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N 区，光生空穴被推进P 区。

光生电子-空穴在N 区产生后，光生空穴向 P-N 结边界扩散，一旦到达P-N 结边界，便在内建电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P 区，而光生电子则被留在N 区。 P 区中的光生电子也向 P-N 结边界扩散，同样通过漂移运动进入N 区，而光生空穴被留在P 区。

因此，在P-N 结两侧有电荷的积累，使P 区带正电，N 区带负电，并产生了光生电动势。

10． 例题：某太阳能电池器件，面积是2cm 2，在AM1.5，120mW/cm2，25℃光照条件下，

电池的J SC =25 mA/cm2，V OC =0.5 V，FF=0.7，求电池的光电转化效率η。如果太阳光的入射功率变为100mW/cm2，其他参数不变，求电池的光电转化效率η。

各参数及其含义

① 光子通量Φ：单位时间内通过单位面积的光子数量。

光吸收系数α：

光子在半导体中传播时，在距表面x 处，单位时间、单位距离上被吸收的光子

数应当正比于该处的光子通量Φ（x ）。

在x=0处，Φ（x ）=Φ0。所以，

②

③

④

⑤

⑥ 比例系数α叫做光吸收系数，是hv 的函数，在截止波长λ0处急剧下降。 开路电压V OC （V ） 在一定的温度和辐照度条件下，太阳电池处于开路状态时两端的电压。与电池面积大小无关，与入射光谱辐照度的对数成正比。 是受温度影响最大的参数。 短路电流密度I SC （A ） 在一定的温度和辐照条件下，太阳电池处于短路状态时流过的电流。常用短路电流密度J SC （单位：mA/cm2）代替。与太阳电池的面积大小有关，与入射光的辐照度成正比。（= I ph ） 最大输出功率P m （W ） 太阳电池的输出功率随负载电阻而变化，其最大值就是最大输出功率，又称最佳工作点。P m =Vm ×Im 最佳工作电压V m （V ）和最佳工作电流I m （A ） 最大功率点所对应的电压和电流，常用V m 和I m 表示。 填充因子（FF ）

最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。（始终小于1）

⑦ 太阳电池转换效率η

最大输出功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率（P in ）之比。

⑧ 量子效率QE ：太阳能电池所收集的载流子的数量与入射光子的数量之比。

外量子效率EQE ：产生的光电子与所有入射的光子数之比。

内量子效率IQE ：产生的光电子与被吸收的光子之比。

⑨ 单色光电转化效率IPCE ：单位时间内，外电路中产生的电子数与入射单色光子数之

比。非单色光就是EQE 。

其中I SC 、λ和P in 的单位分别为mA/cm-2，nm 和mW/cm-2。

⑩ 光子能量E ：

11． 太阳电池等效电路。

（1） 理想太阳电池等效电路：

相当于一个电流为I ph 的恒流电源与一只正向二极管并联。

流过二极管的正向电流称为暗电流I D ；

流过负载的电流为I ；负载两端的电压为V 。

（2） 实际太阳电池等效电路：

由漏电流等产生的旁路电阻（并联电阻）R Sh

由体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻R S

在R Sh 两端的电压为：V j =V+IRS

因此，流过旁路电阻R Sh 的电流为：I Sh = (V+IRS ) / RSh

流过负载的电流：I= Iph – ID – ISh

12． DSSC 的结构：

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。

纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO 2、SnO 2、ZnO 等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSSC 的负极（光阳极）。

敏化染料吸附在纳米多孔TiO 2膜面上。

对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。

正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I 3-/I-。

DSSC 的工作原理：

① 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；

② 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体（TiO 2）的导带中；

③ 电子扩散至导电基底，后流入外电路中；

④ 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；

⑤ 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；

⑥ 复合。

总方程式：e −(Pt)+ hν→e −(TiO2)（光电流）

DSSC 的材料选择标准：

① 高比表面积的多孔TiO 2；

② 染料具有适当HOMO-LUMO 电位、带隙窄、吸光系数高；

③ 高催化能力的对电极；

④ 快速氧化还原能力的电解质；

⑤ 宽工作电压的溶剂。

13． DSSC 与Si 的P-N 结电池的区别

Si 的p-n 结电池：

光吸收和电荷传输都在同一种材料；

在内建电场作用下发生电荷分离

DSSC ：

染料分子吸收光子，光电子在TiO 2多孔薄膜中传输，

空穴在电解液中传输；

电荷分离是由于存在界面能级差；

复合主要发生在TiO 2/染料/电解液的界面处。

电子-空穴分离的条件：染料分子的LUMO 能级高于TiO 2

导带能级；染料分子的HOMO 能级低于电解质中氧化

还原电对的电势。

14． 量子点敏化的方法：

两种思路：（1）、把预先合成好的量子点吸附到光阳极上；（2）、在光阳极上原位直接生长量子点。

直接吸附法、分子链接法、化学浴法（CBD ）、连续离子层吸附反应法（SILAR ）、离子交换法、物理沉积法。