纳米结构与纳米材料25个题目+完整答案

1.什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考虑） 2.纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。 3.纳米材料的常用的表征方法有哪些？

4.用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？

5.纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？

6.在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？

7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的？

8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度？

9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时所用的? = 1.5406?，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写出公式并根据图中的数据来计算）。

10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、反应介质、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、并介绍这种物质的至少两种晶相。 11.举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。 12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？

13.什么叫化学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。

14. 纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催化有哪些具体应用 15. 利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么？有何优、缺点？ 16 何为“自催化VLS生长”？怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂？ 17. 液相合成金属纳米线，加入包络剂(capping reagent)的作用是什么？

18. 何为纳米材料的模板法合成？它由哪些优点？合成一维纳米材料的模板有哪些？ 19. 试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程 20. 从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质，它有哪些主要的应用前景？ 21. 如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率？

22. 试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。 23. 比较极紫外光刻技术和X射线光刻技术的异同。

24. 何为纳米材料的自组装？用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成部分？ 25 何谓“取向搭接Oriented attachment”“奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening”?

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1、 什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考虑）

广义地，纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为单元构成的材料。 几十个到几万个原子的纳米颗粒 （零维） 一维量子线 （线、管、棒、电缆） 二维量子面 （超薄膜, ultrathin films ） 三维纳米固体 （体材料，bulk materials） 2、

纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。

1.小尺寸效应：指纳米粒子尺寸减小，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应。 举例：小尺寸的Au/TiO2具有低温氧化催化活性。

2.表面效应：粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用不能忽略，这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应通称为表面效应。

举例：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。

3.量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级的；即可看作由连续能级变成不连续能级的现象称为纳米材料的量子尺寸效应。举例：①在某一温度下，半径为纳米级的Ag变成半导体或者绝缘体 1宏观量子隧道效应限定了磁带、 4.宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。举例：○磁盘进行信息存储的时间极限。 5 库伦阻塞效应： 3、

纳米材料的常用的表征方法有哪些？

答：①透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)，原子粒显微镜(AFM) ②X射线衍射仪(XRD)，比表面积测定仪

③光谱分析：红外光谱，紫外光谱，拉曼光谱等。

4、用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？

三者都是固体样品。 要求：TEM：超薄切片

SEM：要求样品表面导电，如不导电则需镀白金、黄金或碳 AFM：样品要求表面较平整，过于凹凸针尖易断。

提供的信息：TEM：晶粒大小与分布，包括晶界，甚至能看到晶格条纹 SEM：颗粒的大小与分布 AFM：主要观察薄膜表面粗糙度

5. 纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？

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优点:①表面活性高可以吸附储氢.②制备高效催化剂③实现低熔点材料 缺点:①容易吸附团聚②容易失活③易被氧化而燃烧。 应用：表面吸附储氢、制备高效催化剂、实现低熔点材料等。

6. 在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？

a在纳米微粒的气相法合成中，涉及过饱和蒸气的产生、粒子成核和长大、团聚、凝结、转移和收集等过程 b蒸发法、溅射法、化学气相反应法和化学气相凝聚法

c（１）蒸气的异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等杂质或固体表面上的台阶等缺陷为成核中心，进行微粒的形核及长大。

（２）蒸气的均相成核：无任何外来杂质或缺陷的参与，过饱和蒸气中的原子因相互碰撞而失去动能，因小范围内温度和物质浓度不同，开始聚集成小核。当小核半径大于临界半径Rc时就可以成核生长，最终形成微粒。 7. 溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样的？

过程：前驱体+溶剂→均匀溶液→在一定条件下溶质水解/醇解→水解产物（缩合聚集）→1nm左右的胶体粒子（溶胶）→溶胶粒子（聚合生长）→凝胶【（SSG法（溶液－溶胶－凝胶法）】→凝胶陈化、干燥、焙烧去除有机成分，最后得到所需的无机纳米微粒。

8.用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制碳纳米管的分布密度？

步骤：①制备FeCl3-SiO2溶胶

②溶液做成薄膜（浸渍提拉法或悬浮法） ③用氢气将Fe3+还原成为Fe ④通入含碳的烃类，CNTs催化生长

控制：通过控制FeCl3的浓度来改变Fe的含量；改变H2的还原温度来改变Fe纳米晶的大小，及控制气流量。

9.改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer方程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时所用的? = 1.5406?，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写出公式并根据图中的数据来计算）。

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10.氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、反应介质、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、并介绍这种物质的至少两种晶相。 答：氧化钛 TiO2俗称钛白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型（A型）和金红石型（R型） （1）制备方法

①四氯化钛水解法 原料：四氯化钛 反应介质：水

主要表征手段：XRD（看晶相），SEM（看表面微观结构，颗粒大小与分布），TEM（看晶粒大小） ②气相法

原料：金属钛、钛的醇盐或无机盐 反应介质：H2/O2

主要表征手段：XRD（看晶相），TEM（看晶粒大小） ③溶胶-凝胶法 原料：酞酸丁酯 反应介质：乙醇

主要表征手段：XPS（看表面化学态），SEM（看表面微观结构，颗粒大小与分布），TEM（看晶粒大小），AFM（看表面形貌，计算表面粗糙度）

（2）主要用途：光催化材料，太阳能电池，污水处理用太阳能光反应器，空气净化器，防雾及自清洁涂层，抗菌材料

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（3）锐钛矿：构成锐钛矿的八面体通过共顶点的方式连接成一张网。八面体层之间通过共边的方式而构成三维网络。这样，每4个八面体层，相同的结构就会重复一次。

金红石：以Ti-O八面体的排列看，金红石结构由Ti-O八面体以共棱的方式排列成链状，晶胞中心的链和四角的Ti-O八面体链的排列方向相差90°。链与链之间是Ti-O八面体以共顶相连。

11.举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构特点、用途。 答：纳米石墨 石墨烯 富勒烯（C60） 碳纳米管 纳米金刚石薄膜 其中石墨烯是二维结构，碳纳米管是一维结构。 ①一维材料：碳纳米管

结构特点：六边形网格翻卷而成的管状物，管子两端一般有含五边形的半球面网格封口。

用途：碳纳米管超级电容器、碳纳米管储氢材料、碳纳米管吸波剂、碳纳米管异质结构。大规模集成电路。 ②二维材料：石墨烯

结构特点：sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。原子厚的碳薄膜片，C-C键之间以sp2键相连。

用途：透明导电薄膜、液晶显示材料、晶体管集成电路。 12.简述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？

力学性能：由于纳米晶体材料由很大的表面积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能，强度变低，塑性变好,韧性变好。

热学性能：纳米微粒由于颗粒小，表面能高，比表面原子数多，活性大。因此，熔点降低，烧结温度降低、晶化温度降低。 光学性能：① 纳米颗粒存在量子尺寸效应和界面效应；②宽频带吸收：对可见光反射率低；③蓝移现象：吸收波向短波移进；④纳米微粒发光：尺寸小于某定值时，特定波长激发下发光；⑤在溶胶中，胶体的高分散性和不均匀性使其具有特殊的光学性质。 13.什么叫化学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。 答：（1）化学气相沉积法，是指反应物经过化学反应和凝结过程，生成特定产物的方法。

（2）衍生方法：等离子体增强CVD法（PECVD），微波CVD法（MWCVD），激光辅助CVD法（LCVD），超声波CVD法（UWCVD）。 （3）VLS生长机理：加热成V 冷凝形成L 过度饱和 析出 生成S

以制备CNTs为例，在800～1000℃的高温下呈液态的催化剂微粒是反应的活性点，它传输CNTs生长原料，吸收气体中的碳原子簇直至过饱和状态，过饱和的碳原子簇沉淀析出形成CNTs。

16. 纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催化有哪些具体应用

原因：① 半导体纳米颗粒粒径的减小使量子尺寸效应增强、能隙增大，价带电位变得更正、导带电位变得更负，使光生电子－空穴对的还原－氧化能力提高，增强了催化降解有机物的活性；② 对半导体纳米颗粒而言，其粒

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径通常小于空间电荷层的厚度，因此可忽略空间电荷层的影响，光生载流子可通过简单的扩散运动从颗粒的内部迁移到表面，与电子给体或受体发生氧化或还原反应。粒径的减小使光生电子－空穴扩散到表面的时间减少，电子－空穴的分离效果提高、在颗粒内部的复合概率下降，从而使光催化活性增强；③ 在光催化反应体系中，反应物被吸附在催化剂的表面是光催化反应的一个前提步骤，粒径的减小使半导体纳米颗粒的比表面积增大，强烈的吸附效应使得光生载流子优先与吸附的物质进行反应、可使降解能力提高。

应用：①太阳能利用②自清洁玻璃③环境净化（污水处理，空气净化）④有机合成⑤杀菌器皿 17. 利用机械球磨法制备纳米颗粒的主要机制是什么？有何优、缺点？

机制：该方法通过高能研磨，使原材料的粗颗粒产生严重的形变而发生结构变化，纳米晶体在严重形变材料的切面带上成核，从而使粗颗粒结构转变为纳米相。

优点：①粉体是单纯的纳米颗粒，或是纳米颗粒与（亚）微米颗粒（粗晶分裂而成）混合在一起；②产量高，工艺简单，适用于高熔点合金纳米颗粒的制备。

缺点：尺寸不均匀，易引入杂质，颗粒表面和界面主要由磨球（一般为铁）和气氛（氧气、氮气）引起污染。在球磨法制备纳米微粒的过程中，纳米相的形成及晶粒所能达到的极限尺寸与材料的组分、所用球磨设备的种类、－粉质量比和气氛状态等因素有关，其影响因素十分复杂。

16 何为“自催化VLS生长”？怎样利用自催化VLS生长实现纳米线的掺杂？ 通过源材料内在反应形核，使纳米线以 VLS生长的现象称为“ 自催化 VLS生长” ①双金属源(有两种金属掺杂)②蒸汽压要符合条件③能溶于催化剂 25. 液相合成金属纳米线，加入包络剂(capping reagent)的作用是什么？

选择性地吸附在金属纳米晶的表面，以控制各个晶面的生长速度，使金属纳米颗粒以一维线型生长方式生长。 26. 何为纳米材料的模板法合成？它由哪些优点？合成一维纳米材料的模板有哪些？

定义：所谓模板合成就是将具有纳米结构且形状容易控制的物质作为模板（模子），通过物理或化学的方法将相关材料沉积到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板规范形貌与尺寸的纳米材料的过程。

优点：①多数模板不仅合成方便，而且其性质可在广泛范围内精确调控；②合成过程相对简单，很多方法适合批量生产；③可同时解决纳米材料的尺寸与形状控制及分散稳定性问题；④特别适合一维纳米结构（ 如纳米线和纳米管）的合成。因此模板合成是公认的合成纳米材料及纳米阵列的最理想方法之一。 分类：软模板和硬模板

典型代表为：阳极氧化铝模板法（ 硬模板法）和表面活性剂模板法（ 软模板）。

27. 试结合工艺流程图分别说明氧化铝模板的制备过程以及氧化铝模板合成纳米线阵列的过程 制备过程：

预处理：首先，将铝片依次在丙酮和乙醇中清洗以去除表面的油污。然后，在真空中将铝片在４５０℃下退火

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数小时，退火处理的目的是消除铝片内部的机械应力，同时也使晶粒长大。随后，在无水乙醇和高氯酸的混合液中进行电化学抛光。

阳极氧化过程：首先，将预处理的高纯铝片在草酸溶液中进行第一次阳极氧化，此时所得到的多孔氧化铝膜的顶部的有序性比较差。然后，将第一次氧化得到的氧化铝膜用磷酸和铬酸的混合溶液在６０℃腐蚀数小时，此时，在铝片表面上可以得到比较有序的六角形的凹坑阵列。一次腐蚀的时间可以随意调整，一次氧化时间的增加，上述的六角形凹坑阵列结构的有序性也会随之提高。二次阳极氧化是在六角凹坑阵列上进行的，二次氧化的条件与一次氧化的条件基本相同，即在相同的电解质溶液、相同的电压、相同的温度下进行，只是氧化时间较长，二次氧化的时间通常是由所需的模板厚度来决定的。

后续处理过程：①除去背面铝和去障碍层。（用可溶的惰性金属盐溶液与铝反应）②扩孔：用稀磷酸溶液去除致密的氧化铝阻挡层。

合成过程：首先利用蒸镀法或溅射法在双通模板的一面制备一层厚度大约为200nm的金膜作为电沉积的工作电极。通过控制实验参数，使制备材料优先在电极上成核，并沿氧化铝模板通道的轴向择优生长。由于氧化铝模板中通道的限制作用，因而可以实现在模板中组装金属纳米线有序阵列。采用碱或酸的稀溶液适当腐蚀掉氧化铝膜，就可获得纳米线有序阵列。

28. 从力学特性、电学特性和化学特性来阐述碳纳米管的性质，它有哪些主要的应用前景？ 力学特性：抗张强度高,拉申强度大. 电学特性：金属性。半导体性.

化学特性：①催化剂，或催化基板（提供反应场所）

②具有很强的吸附储氢能力③可用作电极材料，太阳能电池，高容量燃料电池。

应用前景：①绝好的纤维材料，既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性、陶瓷材料的耐热耐蚀性、纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，将给汽车、飞机等飞行器的制造带来革命性的突破。②具有极高的强度和理想的弹性，具有非凡的韧性和恢复能力。③作为复合材料的纤维增强体，碳纳米管具有极好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，同时兼具有石墨的润滑性和导电性，在航空、航天等特殊制造领域里有无可比拟的优势。在隐身材料领域，平面显示领域，微电子器件领域的探索。(只要结合性能加上应用领域即可) 29. 如何提高传统光刻技术中曝光系统的分辩率？ 瑞利定律： R = k1 λ/ NA D = k2 λ / (NA)2

其中，R为分辨率，D为焦深，λ为曝光波长，NA为数值孔径，由成像系统决定，k1和 k2是与系统有关的常数。减小波长、增加数值孔径、减小 k1等方式都可以提高光刻曝光系统的分辨率，其中减小波长是主要手段。

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30. 试比较电子束刻蚀和离子束刻蚀技术的异同点和优缺点。

答：同：无须使用掩模板、波长更短、可以用电磁透镜聚焦的高能带电粒子束刻蚀

异：离子质量大于电子质量；相同能量下，感光胶对离子的灵敏度要比对电子高数百倍；由于色差的影响，无法将离子束聚焦成电子束一样细，因而其分辨率比电子束曝光低； 电子束刻蚀：

优点：分辨力高；避开了光学透镜材料的限制；复杂的电路可直接写在硅片上而无须使用掩模板；具有灵活性；可直接制作各种图形。

缺点：速度慢；无法适应大工业批量生产的需要；散射电子会影响邻近电路图形的曝光质量，邻近效应很难控制。 离子束刻蚀：

优点：易聚焦；在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度要比对电子高数百倍； 缺点：其分辨率比电子束曝光低；曝光的应用范围有限。 31. 比较极紫外光刻技术和X射线光刻技术的异同。 同：①波长短，可获得极高的分辨率②光学曝光过程相同

异：①曝光系统：极紫外光刻技术是反射式光学系统，X射线光刻技术是无投射光学系统的近贴式和1:1投影式。 ②掩模板：极紫外光刻技术：无需采用近邻效应校正技术和移相掩模技术，有利于降低光刻成本。X射线光刻技术：掩模的制作难度大，同时使用过程中的受热变形问题是Ｘ射线光刻技术需解决的难关。 32. 何为纳米材料的自组装？用于制备纳米结构的微乳液体系一般有几个组成部分？

答：自组装：纳米材料的自组装是在合适的物理、化学条件下，原子、分子、粒子和其他结构单元，通过氢键、范德瓦尔斯键、静电力等非共价键的相互作用、亲水-疏水相互作用，在系统能量最低性原理的驱动下，自发地形成具有纳米结构材料的过程。

组成：表面活性剂、 助表面活性剂、 有机溶剂和水

25 何谓“取向搭接Oriented attachment”“奥斯德瓦尔德熟化Ostwald ripening”?

取向搭接：纳米粒子在自组装过程中总是在不停地做无规的布朗运动，当相同晶面彼此靠近时，由于晶面上的原子排列和晶格间距相同，因此可以形成更多的化学键(配位数)，从而大大降低体系的自由能。

奥斯瓦尔德熟化（或奥氏熟化）是一种可在固溶体或液溶胶中观察到的现象，其描述了一种非均匀结构随时间流逝所发生的变化：溶质中的较小型的结晶或溶胶颗粒溶解并再次沉积到较大型的结晶或溶胶颗粒上。

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