2011《纳米材料导轮》答案

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1、西安交通大学研究生考试卷科目：《纳米材料导论》专业班级：材料学硕XXX学号：XXXXXXXXXX姓名：匿名1.什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？（5分）答:(1)纳米材料任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的料称为纳米材料。Gleiter认为纳米材料基本单元的典型尺寸应在1-10nm之间。纳米材料亦可定义为具有纳米结构的材料。纳米结构是一种显微组织结构，其尺寸介于原子、分子和小于0.1μm的显微组织结构之间。纳米结构也是某种形式的材料或物质，本身就是一种纳米材料。目前许多文献中已将

2、纳米材料和纳米结构相提并论，甚至只提纳米结构而不提纳米材料，也有人将纳米结构体系归结为纳米材料的一个特殊分支。(2)纳米材料分类①纳米材料通常维度进行分类，可分为以下四类：（a）0维纳米材料，通常称为量子点，包括原子团簇、纳米微粒等。（b）1维纳米材料，通常也称为量子线，包括纳米线，纳米管和纳米棒等。（c）2维纳米材料，通常也称为量子面，纳米薄膜。（d）3维纳米材料即为纳米块体。（e）复合纳米材料，是指由同维或不同维纳米材料复合而成的材料。②根据晶体形状的不同，纳米材料可分为3个类别，根据成分的不同，这3个类别可分为4个

3、系列，具体类别如图一所示。晶体化学成分晶体形状成分相同不同晶体具不同成分界面和晶体内部成分不同小晶体弥散分布在不同基体中层状柱状等轴晶状第1系列为同成分的多层膜、杆状晶和等轴晶组成的3个类型的纳米材料。第2系列为不同成分的多层膜、杆状晶和等轴晶组成的纳米材料，其中不同成分的多层膜为超晶格材料，具有人们熟知的量子阱结构。第3系列为不同成分的第二相分布于多层膜间和晶粒间的纳米材料。第4系列为纳米尺寸的晶体（层状、杆状和等轴晶）弥散分布在不同成分基体中的复合纳米材料。2.纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。（5分）答：纳米材

4、料基本效应有尺寸效应、形状效应、量子效应和界面效应。其中尺寸效应和形状效应是纳米材料最重要的基本效应。⑴纳米材料具有强烈的尺寸效应所谓尺寸效应就是当纳米材料的组成相的尺寸如晶粒的尺寸、第二相粒子的尺寸减小时，纳米材料的性能会发生变化，当组成相的尺寸小到与某一临界尺寸相当时，材料的性能将发生明显的变化或突变。例如：α-Fe、Fe3O4、α-Fe2O3的矫顽力随着粒径地减小而增加，但当粒径小于临界尺寸时它们将由铁磁体变为超顺磁体，矫顽力变为零。库仑阻塞效应是纳米材料具有尺寸效应的又一实例。纳米材料的尺寸效应还涉及纳米结构的稳

5、定性，当纳米结构的尺寸小于某一临界尺寸时就要发生纳米晶向非晶态转变的相变。⑵纳米材料具有强烈的形状效应由于纳米结构或其基本单元的形状变化所引起的宏观物理、化学性质的变为称为纳米材料的形状效应。纳米结构和纳米材料形状的变化可以强烈地改变电子能态密度和改变表面原子的排列，分布及表面能，一次可使材料的宏观性能特别是磁、光、催化等性能发生明显的变化。例如：当纳米粒子由实心变成空心后，吸收光谱出现明显的“红移”现象，如Ag纳米粒子变成空心后其吸收光谱可“红移”200nm。⑶纳米材料具有尺寸效应的技基础是量子效应和界面效应①量子效应

6、：随着金属微粒尺寸的减小，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半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。量子效应即为电子的能量被量子化，电子的运动受到约束。量子效应还可称为量子限域效应、量子尺寸效应或量子尺寸限制。是产生量子效应的判据，其中为热起伏能，Eg为能隙。比较式和式可知，粒子的尺寸越小，温度越低，就越大，量子效应就越明显。对于金属纳米材料，由于费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒或晶粒非常小时才会产生明显的量子效应。对于半导体材料，出现量子效应的

7、尺寸要比金属粒子的尺寸大得多。例如：GaAs-Al0.3Ga0.7As超晶格材料势阱中产生尺寸效应。当层厚小于在费米能级边缘的电子平均自由程时，在量子阱内就会形成电子和空穴的分立能级。这种尺寸效应将改变该材料的光学吸收、受激发射以及隧穿等性能。②界面效应：纳米晶体材料中含有大量的晶界，因而晶界上的原子占有相当高的比例。例如对于尺寸为5nm的晶粒，大约有50％的原子处于晶粒最表面的一层平面（原子平面）和第二层平面；对于晶粒为10nm，晶界宽为1.0nm材料，大约有25％原子位于晶界。由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构

8、不同于大块晶体材料，必将使纳米材料的自由能增加，使纳米材料处于不稳定的状态，如晶粒容易长大，同时使材料的宏观性能如机械变形发生变化。界面效应能使异质原子在晶界的偏析大幅度提高。例如室温下Bi在Cu中的溶解度小于10－4，而在8nmCu多晶中溶解度为4％，其中部分或大部分Bi原子位于晶界。选择和控制某些原子在晶界的偏析