纳米功能材料试题大学期末温习资料Word下载.docx
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7.制备纳米结构和材料的2大途径是什么？
各自的特点或有缺点？
两大途径：
自下而上；
自上而下。
8.什么是描述小尺寸化的“摩尔定律”？
当价钱不变时，上可容纳的元器件的数量，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
9.依照自己的明白得，说明增进纳米材料相关科学与技术进展的意义。
新世纪高科技的迅速进展对高性能材料的要求愈来愈迫切,而纳米材料的合成为进展高性能的新材料和对现有材料性能的改善提供了一个新的途径。
纳米科技是一门新兴的尖端科学技术。
它将是21世纪最先进、最重要的科学技术之一,它的迅速进展有可能迅速改变物质产品的生产方式,引发一场新的产业革命,致使社会发生庞大变革。
正如像自来水、电、抗生素和微电子的发明带来的变革一样,对人类熟悉世界和改造世界将会发挥不可估量的作用。
10.说明表面能随粒子尺寸转变的规律，带来的性能转变要紧体此刻哪些方面？
表面能γ：
产生单位新表面时所需要的能量，也称为表面自由能、表面张力。
可见粒子尺寸越小，其比表面积越大，即表面能越大。
如面心立方结构的表面能：
，亦可证明表面能随粒子尺寸的减小而增大。
表面能高的物质其性能转变：
稳固性小，活性高，熔点低，空气中易燃烧，吸附能力强，催化性好，化学活性高
11.降低表面能的途径和方式是什么？
说明其中的原理。
降低表面能的途径：
（1）表面驰豫，表面原子或离子向体内偏移，这种进程在液相中很容易发生，而固态表面由于其刚性结构，难度有所提高；
（2）表面重构，通过结合表面悬挂键形成新的化学键；
（3）表面吸附，通过物理或化学吸附外部物质到表面，形成化学键或弱彼此作用如静电或发范德瓦耳斯力；
（4）表面固态扩散，致使的成份偏析或杂质富集。
减小表面能的方式：
（将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表面积）
（1）烧结，是一种用固-固界面替代固-气界面的工艺，是通过将单个纳米结构无间隙地堆积一路并改变形态的一种方式。
（2）Ostwald熟化，是2个单个纳米结构形成一个大的结构的进程。
较大纳米结构的生长以捐躯小纳米结构为代价，直到后者完全消失为止。
12.说明Ostwald熟化机理。
奥斯特瓦尔德熟化是大粒子吞噬小粒子。
减小了固-气表面积。
（液态中）小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压，而大粒子具有低溶解度或蒸汽压。
为了维持局域浓度平稳，小粒子溶解到周围介质中；
小粒子周围的溶质进行扩散；
大粒子周围的溶质将沉积。
这一进程将持续到小粒子完全消失
13.曲率与化学势、平稳蒸汽压、溶解度的关系是什么？
Young-Laplace方程（化学势与曲率关系）：
Kevin方程（球形粒子蒸汽压与曲率关系）：
Gibbs-Thompson关系式（溶解度与曲率关系）：
14.材料研究的四要素及其彼此关系。
（1）合成与加工：
成立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子尺寸到宏观尺寸）对结构的操纵，和高效而有竞争力地制造材料和零件的演变进程；
（2）结构与成份：
制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果；
（3）性质：
确信材料功能特性和效用的描述；
（4）利用性能：
材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一路的一个要素。
第二章、纳米材料制备方式
1、零维纳米粒子的合成方式分类
热力学平稳方式：
过饱和状态的产生→形核→后续生长
动力学方式：
限制可用于生长的团簇数量——如分子束外延方式；
在有限空间中局限形成进程——如气溶胶合成法或胶束合成法
2、纳米粒子的大体特点及要求。
（1）小尺寸的要求
（2）全数粒子具有相同的大小（也称为均一尺寸或均匀的尺寸散布）
（3）相同的形状或形貌
（4）不同粒子间和单个粒子内的相同的化学组成和晶体结构
（5）单个粒子分散或单分散（无团聚）；
或有团聚但易于再分散
3、纳米粒子合成中的均匀、非均匀形核进程？
和两种进程的异同？
均匀形核：
新相晶核是在母相中均匀地生成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的阻碍。
非均匀形核：
新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外表面形核。
相同点：
1）形核的驱动力和阻力相同；
2）临界晶核半径相等；
3）形成临界晶核需要形核功；
4）结构起伏和能量起伏是形核的基础；
5）形核需要一个临界过冷度；
6）形核率在达到极大值之前，随过冷度增大而增加。
不同点：
与均匀形核相较，非均匀形核的特点：
1）非均匀形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加；
2）非均匀形核的晶核体积小，形核功小，形核所需结构起伏和能量起伏就小；
形核容易，临界过冷度小；
3）非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角一起决定；
临界晶核半径相同时，接触角越小，晶核体积越小，形核越容易；
4）非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加，当超过极大值后下降一段然后……
4、晶核生长进程及机制？
如何操纵晶核的生长？
晶核生长进程包括：
（1）生长物质的产生；
（2）向生长表面的物质扩散；
（3）生长物质吸附到生长表面；
（4）不可逆结合生长物质的表面生长。
机制：
扩散：
在生长表面上提供生长物质的进程，包括生长物质的产生、扩散及吸附到生长表面。
生长：
吸附到生长表面的生长物质，进入到固态结构中。
（关于均匀尺寸纳米粒子的形成，期望是扩散操纵的生长。
）生长物质浓度维持很低的水平常，扩散距离将超级大，扩散可能成为操纵因素；
增加溶液粘度的方式；
操纵生长物质的供给；
当生长物质是通过化学反映产生时，通过副产品浓度、反映物、催化剂操纵反映速度。
动力学限制生长法：
动力学操纵生长是空间限制生长，这种生长在有限的源材料被消耗完或可用的空间被完全填充满时，生长就停止。
5、针对金属、半导体及氧化物纳米粒子的不同特点，举例说明在制备方式上的区别（或偏重点）？
【金属】在稀释溶液中，还原金属复合物是合成金属胶质分散体经常使用的方式，存在多种方式用于增进和操纵这种还原反映。
单一尺寸金属纳米粒子的合成，一般是将低浓度溶质和聚合物单体粘附于生长表面。
低浓度和聚合物单体都能阻碍生长物质从周围溶液中扩散到生长表面，因此扩散进程可能成为初始晶核后续生长的速度限制步骤，致使均匀尺寸纳米粒子的形成。
在合成金属纳米粒子时，确切地合成金属胶质分散体，各类类型的原料、还原剂、其它化学物质和方式用于提高或操纵还原反映、初始形核和初始晶核的后续生长。
【半导体】
【氧化物】均匀形核、随后扩散操纵生长都适用于氧化物系统；
实际的方式对不同氧化物体系明显不同；
由于氧化物比半导体和金属在热力学和化学稳固性上更稳固，其纳米粒子的反映和生长比较难操纵；
溶胶凝胶法是氧化物纳米粒子最经常使用的方式。
6、举例说明纳米材料溶胶-凝胶方式。
是合成无机、有机-无机混合物胶体分散体的湿化学方式；
专门适合于氧化物、氧化物基混合物的制备，已制备粉末、纤维、薄膜、块状材料的胶体分散体；
合成胶体分散体的大体原那么和一样方式相同；
优势：
较低处置温度、分子水平的均匀性；
合成金属氧化物，温度灵敏的有机-无机混合物、不符合热力学条件或亚稳材料尤其有效；
溶胶-凝胶进程：
水解、前驱体的缩合
有机溶剂或水溶剂可用于溶解前驱体；
前驱体能够是金属醇盐、无机盐、有机盐，催化剂可增进水解和缩合反映
7、举例说明纳米材料气相制备方式。
气相制备方式：
纳米粒子通过气相反映的方式合成。
物理气相法：
氢等离子蒸发法合成金属及合金纳米粒子（例：
直流电弧等离子体蒸发法）真空——确保生长物质的低浓度，增进扩散操纵生长；
高温——增进蒸发、气化、化学反映。
化学气相法：
氢气中燃烧四氯化硅产生高分散的二氧化硅纳米粒子（例：
原料+载体——蒸发/分解——→金属纳米粉）
8、什么是纳米粒子的动力学限制生长法？
其特点及分类？
空间限制法可分为假设干组：
（1）气相中的液滴，如喷雾合成和喷雾热分解；
（2）液体中的液滴，如微乳液的胶束合成；
（3）基于模板的合成，如聚合物模板作为阳离子互换树脂；
（4）自生长终止合成：
当有机组成部份或外来离子附着在生长表面并所有全数可用位置时，生长就会停止。
9、什么是一维纳米结构？
其制备技术能够分为几类？
通常指直径不超过100nm、具有较大长/径比的纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维、纳米晶须等。
制备技术大致可分为三？
类：
1自发生长（自下而上制备线路）
Ø
蒸发（溶解）-冷凝
气体（溶液）-液体-固体（VLS或SLS）生长
应力-诱导再结晶
2基于模板合成法（自下而上制备线路）
电镀和电泳沉积
胶体分散，溶化或溶液填充
化学反映转化
3静电纺丝技术
4光刻（自上而下制备线路）
10、简要说明一维纳米结构各向异性生长的几种机制。
各向异性生长的假设干机制：
在晶体中不同晶面有不同的生长速度，如金刚石结构的Si，在{111}面上的生长速度小于{110}面的生长。
特定晶向上缺点的存在，如螺旋位错。
在特定面上优先沉积或杂质引发中毒。
11、简述蒸发-冷凝（VS）、溶解-冷凝（LS）、和气-液-固（VLS）生长机制。
蒸发-冷凝（VS）生长机制：
蒸发-冷凝进程也称为气体－固体（VS）进程。
1）扩散；
2）吸附；
3）表现扩散；
4）冷凝；
5）脱附；
6）副产物扩散。
溶解-冷凝（LS）生长机制：
溶解-冷凝不同于蒸发-冷凝，在此进程中，生长物质第一溶解在溶剂或溶液中，再从溶剂或溶液中扩散到表面，形成纳米棒或纳米线。
气-液-固（VLS）生长机制：
指操纵引入杂质或催化剂第二相材料，在特定方向和限定区域内引导和操纵晶体的生长。
在晶体生长进程中，催化剂通过自身或与生长材料合金化形成液滴（液相），来诱捕生长物。
生长物（气相）在催化剂液滴表面富集，随后在生长表面沉淀致使一维生长（固相）。
12、纳米线的自发生长和模板辅助生长有何区别？
自发生长：
是一个由Gibbs自由能或化学势的减小所驱动的进程，Gibbs
自由能的减小一般是由相变、化学反映、应力释放、再结晶、过饱和度减小等所引发的，是一维纳米结构生长的驱动力。
自发生长进程中，关于特定的材料和生长条件，生长表面的缺点和杂质对最终产物形貌起到超级重要的作用。
模板辅助纳米线合成：
沉积方式：
电化学沉积、电泳沉积、模板填充。
13、模板辅助纳米线生长中，电化学沉积和电泳沉积有何相同点和不同点？
电泳沉积与电化学沉积的相同点：
沉积材料或溶液必需润湿模板的内部孔壁
电泳沉积与电化学沉积的不同点：
1）电泳沉积法形成的沉积物不需要导电；
2）胶体分散系中的纳米粒子是典型的静电或空间稳固机制。
14、碳富勒烯的概念是什么？
举例说明碳的几种低维纳米结构。
碳富勒烯通常指由60个碳原子组成的对称的二十面体的分子，但也包括大分子量的富勒烯Cn（n＞60），如C70、C76、C78、C80、和更大的富勒烯，它们具有不同的几何结构。
这些碳分子家族命名为富勒烯。
零维碳纳米粒子、一维碳纳米线、二维石墨层状结构
15、碳纳米管的制备途径有几种？
简要说明碳纳米管催化生长机制及结构特点。
制备途径：
碳纳米管可用电弧蒸发、激光烧蚀、热解、气相沉积、电化学方式等方式来制备。
碳纳米管的催化生长机理：
与纳米线、纳米棒的VLS生长机制类似。
Baker和Harris提出了催化碳纤维增加的模型，即碳原子溶解到金属液滴，然后扩散到生长表面并沉积下来，生长出碳纳米管。
结构特点：
顶端生长：
PECVD、热解生长等；
基底生长：
Fe催化CVD垂直生长碳纳米管阵列。
16、举例说明多孔材料的分类及特点。
多孔固态材料可分为三类：
微孔（d<
2nm）：
几乎所有的沸石及其衍生物
介孔（2nm<
d<
50nm）：
表面活性剂模板
大孔（d>
大多数干凝胶和气凝胶
有序介孔材料特点：
均一的尺寸和孔的形状，直径为3纳米~几十纳米，长度达到微米级，而且往往有一个超级大的孔体积（高达70％）和超级高的比表面积（>
700m2/g）
17、说明以胶束为模板制备有序介孔材料的具体途径？
在胶束周围，无机前驱物经水解、缩合反映形成框架
18、简要说明溶胶-凝胶法制备无序介孔材料的2种方式。
溶胶-凝胶法制备的介孔材料，分为两种类型：
干凝胶xerogel：
室温条件干燥，孔隙率约为50％，孔径为几个nm
气凝胶aerogel：
超临界干燥，孔隙率75％~99％，孔径为几个nm
干凝胶在溶胶-凝胶工艺中，前驱体分子进行水解、缩合反映形成纳米团簇。
气凝胶气溶胶制备中，为了增强凝胶网络，湿凝胶需要老化一段时刻。
在高压器中，温度和压力在溶剂的超临界点以上，现在溶剂将从凝胶网络中去除。
19、什么是嵌入式化合物?
嵌入式化合物是一类特殊的材料。
嵌入是指可移动的原子、分子或离子可逆地插入到宿主晶体点阵的空位中，在嵌入与脱出进程中，宿主的晶体结构不发生转变。
20、纳米复合材料、纳米晶材料的要紧区别是什么？
纳米复合材料：
至少由两相组成，且其中一相弥散在另一相中形成三维网状结构
纳米晶材料：
一样是指单相多晶材料
21、气相、液相中制备薄膜的技术大体包括哪几种？
薄膜生长方式：
气相沉积：
蒸发、分子束外延生长（MBE）、溅射、化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）；
液相生长：
电化学沉积法、化学溶液沉积法（CSD）、Langmuir-Blodgett薄膜、自组装薄单层膜（SAMs）。
22、薄膜生长的3个大体形核模式？
与一维纳米结构的形核相较较，要紧区别是什么？
岛状模式：
生长物质间的结合力强于其与基板间的结合力；
层状模式：
生长物质间的结合力远小于其与基板间的结合力；
岛-层状模式：
岛状生长和层状生长同时存在的一种生长方式。
临界值含修正项
？
23、沉积温度和生长物质供给（多少、快慢）对薄膜生长有什么样的阻碍？
沉积温度、生长物质的碰撞速度是两个最重要的阻碍因素：
单晶薄膜生长：
晶格匹配的单晶基板
清洁的基板表面，以避免二次形核
高的生长温度，以确保生长物质的足够迁移
低的生长物质碰撞速度，以确保足够表面扩散所需时刻、生长物质与晶体结合、下一步生长之前的结构弛豫
非晶薄膜生长：
低的生长温度，生长物质没有足够的表面迁移
生长物质大量涌入到表面，在较低能量下没有足够时刻找到生长位置
多晶薄膜的生长条件，介于单晶和非晶薄膜条件之间。
24、什么是薄膜的外延生长？
均相外延生长：
基板和薄膜是同一种材料，无晶格失配（错配），要紧用于制备高质量的薄膜，或是在生长的薄膜中引入搀杂剂。
非均相外延生长：
薄膜和基板不是同一种材料，有晶格失配（错配）。
（XX）顾名思义，外延确实是“向外延伸”，这是一种特殊的薄膜生长，特质在单晶衬底上生长一层新的单晶，即在必然条件下，在制备好的单晶衬底（硅晶圆片）上，沿其原先晶体的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度等都符合要求的新单晶层，称为外延层。
25、物理气相沉积和化学气相沉积方式，各自的特点是什么？
物理气相沉积（PVD）：
生长物质从靶材中被转移、并沉积到基板上形成薄膜的进程，不存在化学反映。
化学气相沉积（CVD）：
挥发性化合物材料与其它气体进行化学反映，生成非挥发性固体，沉积于基板之上的进程。
（XX）
PVD特点：
物理气相沉积技术工艺进程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。
该技术普遍应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。
CVD特点：
1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反映而形成固体物质沉积在基体上；
2）能够在常压或真空条件下（负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好）；
3）采纳等离子和激光辅助技术能够显著地增进化学反映，使沉积可在较低的温度下进行；
4）涂层的化学成份能够随气相组成的改变而转变，从而取得梯度沉积物或取得混合镀层；
5）能够操纵涂层的密度和涂层纯度；
6）绕镀件好。
可在复杂形状的基体上和颗粒材料上镀膜。
适合涂覆各类复杂形状的工件。
由于它的绕镀性能好，因此可涂覆带有槽、沟、孔，乃至是盲孔的工件；
7）沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各类技术对化学反映进行气相扰动，以改善其结构；
8）能够通过各类反映形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
26、简要说明原子层沉积、模板辅助纳米线生长。
原子层沉积（ALD）
是一种独特的薄膜生长方式，其最大特点是自限制性生长，即每次只有一个原子或分子层能够生长。
因此，它提供了真正纳米或亚微米范围内操纵薄膜厚度和表面滑腻的最大可能性。
模板辅助纳米线生长：
27、电化学沉积和电泳沉积有何相同点和不同点？
（同T13）
第三章纳米电功能材料
1.电接触复合材料类型、性能要求、应用领域。
【类型】包括Ag基电接触材料、Cu基电接触材料
【性能要求】具有优良的导电性、小而稳固的接触电阻、高的化学稳固性、耐磨性和抗电弧烧损能力。
电接触元件必需在电阻率、接触电阻、密度、硬度、化学成份、抗熔焊性、抗侵蚀性、可焊性等方面靠得住地知足应用的要求。
【应用领域】在电气、电子领域，电接触材料要紧用作电触点、导电刷、集电环、换向片、整流片和接插件等，是电通断环节中重要的功能性元件。
采纳电接触元件的电机、电气开关、继电器、接插件等作为基础件在信息工程、家用电子电器、汽车工程等领域大量利用。
2.导电复合材料概念、成型加工方式。
举例说明其应用。
【概念】主若是指复合型导电高分子材料，是将聚合物与各类导电物质通过必然的复合方式组成。
【成型加工方式】
表面导电膜形成法
导电填料分散法
导电材料层积复合法
【举例说明其应用】复合性导电高分子材料的应用日趋普遍，在电子、电气、石油化工、机械、照相、军火工业等领域，用于包装、保温、密封、集成电路材料等。
3.压电复合材料概念。
是由两种或多种材料复合而成的压电材料。
常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。
4.正压电效应、逆压电效应。
举例说明压电材料及其应用。
某些电介质在沿必然方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上显现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
看成使劲的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
应用：
可实现电-声换能、激振、滤波，在医疗、传感、测量等领域有普遍应用。
压电材料应用领域：
分为两大类：
即振动能、超声振动能—电能换能器应用，包括电声换能器、水声换能器和超声换能器等，和其它传感器和驱动器应用。
如：
换能器、压电驱动器、压电式传感器等。
5.超导材料概念。
【概念】具有在必然的低温条件下呈现出电阻等于零，和排斥磁力线的性质的材料。
6.超导材料大体特点。
特性一：
完全导电性（零电阻）
特性二：
完全抗磁性（处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零，称为迈斯纳效应）
特性三：
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流（JC）是约束超导现象的三大临界条件（当温度超过临界温度时，超导态就消失；
同时，当超过临界电流或临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。
只有当上述三个条件均知足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象）
特性四：
约瑟夫森（BDJosephson）效应
（承担超导电的超导电子还能够穿越极薄绝缘体势垒）
特性五：
同位素效应（即超导体的临界温度Tc与其同位素养量M有关，M越大，那么Tc越低。
）
7.什么是迈斯纳效应。
处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零，称为迈斯纳效应。
导线和周围的磁铁会发生力的作用。
可是在超导体内，感应电流对磁场的反作用会使磁力线不能穿过它的体内，这使磁体被排斥，超导体的内部磁场始终为零。
这确实是迈斯纳效应，或称理想抗磁性。
（XX：
当一个和一个处于态的彼此靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中显现超导。
此超导形成的磁场，在内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。
这两个磁场抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。
8.什么是约瑟夫森效应。
承担超导电的超导电子还能够穿越极薄绝缘体势垒。
电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。
9.第一类超导体、第二类超导体。
【第一类超导体】
（软超导体）
当H<
HC时，B＝0（B为磁感应强度）当H>
HC时，B＝μH
第一类超导体只有一个临界磁场，即HC只有一个特点值。
【第二类超导体】：
有两个临界磁场
T<
Tc、H<
Hc1时，处于超导态；
H>
Hc2时，处于正常态；
Hc1（T）<
H<
Hc2（T）时，处于一种混合态，此态中具有零电阻特性，但不具有完全抗磁性。
10.超导BCS理论的三个观点。
1.在必然温度下，金属中参与导电的电子结成库珀对，这是一个相变进
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