纳米材料学课堂练习

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1、纳米材料学课堂练习1.假设自己是一家电子显微镜公司的销售代理，向用户推荐和介绍各种显微镜。包括：光学显微镜，扫描电镜，扫描隧道显微镜，原子力显微镜，磁力显微镜，静电力显微镜，扫描电容显微镜(ScanningCapacitanceMicroscope)，扫描热显微镜(ScanningThermalMicroscope)和其它类型的扫描探针显微镜。对以下不同领域的用户推荐适用的电子显微镜，并写出理由。(a).打算研究溶液中DNA和RNA的相互作用的生物学家。DNA大约长200nm宽3nm。AFM（考虑到分辨率和溶液环境两个因素）(b).

2、宝石商人有一批宝石，其中一些是人造的而另一些来自缅甸天然矿石，他想把真的和人造的区分开来。OM，（天然样品中有特定颜色的包裹体）。(c).制造电脑磁记录媒体的工程师，他观察一系列软盘，zip盘、CD和硬盘等。MFM（观察磁磁畴结构）(d)一位医生想研究人血红细胞的行为，血红细胞大小大约为7微米*10微米。生物TEM（注意：要获得细胞内部结构）(e).历史学家得到拿破仑头发样品，想分析之以找到拿破仑的死因。SEMorTEM（带有XPS或EDS成分分析附件即可）(f).研究外来文明的科学家在南极发现一块可能来自火星的石头，研究之，看火星

3、上是否有生命的迹象。SEMorTEM（带有XPS或EDS，能做C等成分分析）(g).一个研究生想同时测量探针原子和铜表面原子之间的作用力和隧道电流。STM(h).一位教授想研究冷却到若干开氏温度的样品的形貌。高真空低温STM（orAFM）1.下图描述了一个样品的化学组成图。如果用SEM的背散射电子成像模式拍照，画出所得SEM图像的草图。*SEM背散射成像的机理主要是原子序数衬度和结晶学衬度两种。原子序数越大背散射电子的产额就越大，电子被散射的几率就越大，从而收集到的被散射电子信号强度就越大（越亮的衬度），最终变现为衬度的不同。所以，

4、如果样品不同区域成分的原子序数不同，得到的将是不同亮度的衬度像。*本题中，样品有Au、Fe、C三个区域，所得的SEM图像是衬度不同的。Au最亮，Fe次之，C最暗。2.区域密度被定义为单位区域内的原子数，估算所给STM图像的区域密度，假设下图大小为1nm*1nm.STM的横向分辨率可达到0.1nm，垂直分辨率达到0.01nm.图中的原子数/S。1.两个原子距离为r时相互之间的势能可以用原子势(林纳德琼斯Lennard-Jones)势来表达。如下图所示：U(r)=s/r12-B/r6,S和B的值已经给出，画出原子势相对于r的图，并在图上

5、画出相互作用力F(r)相对于r的图。原子势能最小时的原子间距r0是多少？并且在图中标出r0。（设置你的X轴为2—6A，Y轴为-1.5—2*10-22）。l对U(r)取负的偏微分就可得到F(r)，5.下图描述了一个具有多种形貌的样品。用下列不同设备测量样品表面，画出可能得到的AFM(线扫描)草图。1.AFM接触模式；2AFM非接触模式；3.MFM;4.EFM.需注意的是：AFM非接触模式探测不到水滴，MFM和EFM只分别对磁畴和电畴敏感。（1）.观察各种扫描探针显微镜得到的图像，通常给出的信息是图象扫描范围而不是放大倍数，why?SP

6、M就是通过探针在样品表面扫描，将二者之间的相互作用记录下来，经过处理即得到样品的相关信息。样品和扫描探针间的相互作用包括：探针和样品间相互作用力，比如AFM,MFM,EFM,CFM,LFM等；样品与针尖热力学量的差异，如扫描热显微镜；探针和样品间的量子隧穿效应，如STM等。它们是通过控制扫描区域的大小来获得相应区域的表面信息，故图像中通常给出的是扫描范围。（2）.对一半导体薄膜(2nm)，如果薄膜可以视为一个无穷深的势阱，计算第二能态(n=2)跃迁到第一能态(n=1)的能量差，在跃迁的过程中将释放出什么类型的电磁波？如果薄膜的厚度减

7、少到0.5nm，释放出什么样的电磁波？*利用一维受限量子阱的能态特征值公式进行计算。一个无穷深的量子势阱在x方向上很薄，能量在x方向上是量子化的.参考：课件或《纳米科技基础》6.STM:如下图：答案：54.0%7.隧道电流近似的表达为[I=Ioexp(-2ks)]，了解该公式就可以估算k和s对隧道电流的影响，如：s每增加0.1nm时，隧道电流将下降一个数量级。空间距离的微小变化引起隧道电流的很大变化，足以分辨近邻原子。