《納米材料導論》作業(yè)什么是納米材料？怎樣對納米材料進行分類？答：任何至少有一個維度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本單元組成的材料稱作納米材料。它包括體積分數(shù)近似相等的兩部分：一是直徑為幾或幾十納米的粒子，二是粒子間的界面。納米材料通常按照維度進行分類。原子團簇、納米微粒等為0維納米材料。納米線為1維納米材料，納米薄膜為2維納米材料，納米塊體為3維納米材料，及由他們組成的納米復合材料。按照形態(tài)還可以分為粉體材料、晶體材料、薄膜材料。納米材料有哪些基本的效應？試舉例說明。答：納米材料的基本效應有：一、尺寸效應，納米微粒的尺寸相當或小于光波波長、傳導電子的德布羅意波長、超導態(tài)的相干長度或投射深度等特征尺寸時，周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱力學等特征性即呈現(xiàn)新的小尺寸效應。出現(xiàn)光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)轉(zhuǎn)為無序態(tài)；超導相轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ?；聲子譜發(fā)生改變等。例如，納米微粒的熔點遠低于塊狀金屬；納米強磁性顆粒尺寸為單疇臨界尺寸時，具有很高的矯頑力；庫侖阻塞效應等。二、量子效應，當能級間距δ大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導態(tài)的凝聚能時，必須考慮量子效應，隨著金屬微粒尺寸的減小，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道，能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子效應。例如，顆粒的磁化率、比熱容與所含電子的奇、偶有關(guān)，相應會產(chǎn)生光譜線的頻移，介電常數(shù)變化等。三、界面效應，納米材料由于表面原子數(shù)增多，晶界上的原子占有相當高的比例，而表面原子配位數(shù)不足和高的表面自由能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，從而具有很高的化學活性。引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化；納米微粒表面原子運輸和構(gòu)型的變化。四、體積效應，由于納米粒子體積很小，包含原子數(shù)很少，許多現(xiàn)象不能用有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，即稱體積效應。久保理論對此做了些解釋。納米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特點？答：納米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界結(jié)構(gòu)的特點：1）晶界具有大量未被原子占據(jù)的空間或過剩體積，2）低的配位數(shù)和密度，3）大的原子均方間距，4）存在三叉晶界。此外，納米晶材料晶間原子的熱振動要大于粗晶的晶間原子的熱振動，晶界還存在有空位團、微孔等缺陷，它們與旋錯、晶粒內(nèi)的位錯、孿晶、層錯以及晶面等共同形成納米材料的缺陷。納米材料有哪些缺陷？總結(jié)納米材料中位錯的特點。答：納米材料的缺陷有：一、點缺陷，如空位，溶質(zhì)原子和雜質(zhì)原子等，這是一種零維缺陷。二、線缺陷，如位錯，一種一維缺陷，位錯的線長度及位錯運動的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孿晶、層錯等，這是一種二維缺陷。納米晶粒內(nèi)的位錯具有尺寸效應，當晶粒小于某一臨界尺寸時，位錯不穩(wěn)定，趨向于離開晶粒，而當粒徑大于該臨界尺寸時，位錯便穩(wěn)定地存在于晶粒內(nèi)。位錯與晶粒大小之間的關(guān)系為：1）當晶粒尺寸在50～100nm之間，溫度<0.5時，位錯的行為決定了材料的力學性能。隨著晶粒尺寸的減小，位錯的作用開始減小。2）當晶粒尺寸在30—50nm時可認為基本上沒有位錯行為。3）當晶粒尺寸小于10nm時產(chǎn)生新的位錯很困難。4）當晶粒小于約2nm時，開動位錯源的應力達到無位錯晶粒的理論切應力?？偨Y(jié)納米材料的合成與制備方法。答：納米材料的合成與制備方法概括如下圖:方法制備特點氣相法物理氣相沉積將高溫的蒸氣在冷阱中冷凝或在襯底上沉積和生長出低維納米材料的方法超細粉末，粉末的純度高，圓整度好，表面清潔，粒度分布比較集中缺點是粉體的產(chǎn)生率低化學氣相沉積當前驅(qū)體氣相分子被吸附到高溫襯底表面時將發(fā)生熱分解或與其它氣體或蒸氣分子反應然后在襯底表面形成固體?？芍苽涑霾煌某Ц癫牧?，外延表面和界面可達原子級的平整度，但有雜質(zhì)、產(chǎn)物少液相法沉淀法以沉淀反應為基礎(chǔ)形成不溶性沉淀高物經(jīng)過過濾、洗滌、烘干及焙燒，得到所需的納米氧化物粉體。純度高，均勻性好、設(shè)備簡單、原料容易獲得、化學組成控制準確，微乳液法在微乳液的微區(qū)控制膠粒的形核與長大粒子分散性好，但粒徑較大不易控制溶膠－凝膠法由水溶膠得到凝膠，經(jīng)熱處理得到納米顆粒粒度小、可控，粒子易團聚電解沉積法在溶液中通以電流后在陰極表面沉積大量的晶粒尺寸在納米量級的純金屬、合金以及化合物投資少，生產(chǎn)效率高，不受試樣尺寸和形狀的限制，可制成薄膜、涂層或塊體材料，所得樣品密度較高散射作用，在宏觀上，多層膜處于高電阻狀態(tài)。當外加磁場足夠大，原本反平行排列的各層磁矩都沿外場方向排列的情況?？梢钥闯?，在傳導電子中，自旋方向與磁矩取向相同的那一半電子可以很容易地穿過許多磁層而只受到很弱的散射作用，而另一半自旋方向與磁矩取向相反的電子則在每一磁層都受到強烈的散射作用。在宏觀上，多層膜處于低電阻狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了GMR現(xiàn)象。二、自旋閥的GMR效應。為了使GMR材料的降低以提高磁場傳感靈敏度，除了選用優(yōu)質(zhì)軟磁鐵為鐵磁層和使非磁性導體層加厚，磁性層間的磁耦合變?nèi)?，在很弱的磁場下就可以實現(xiàn)僅使自由層的磁場發(fā)生翻轉(zhuǎn)。三、納米顆粒膜的GMR效應。納米顆粒膜是指納米量級的鐵磁性相與非鐵磁性導體相非均勻析出構(gòu)成的合金膜。在鐵磁顆粒的尺寸及其間距小于電子平均自由程的條件下，顆粒膜就有可能呈現(xiàn)GMR效應。四、隧道型TMR效應。積層為下述的三明治結(jié)構(gòu)：鐵磁性A/非鐵磁性絕緣層/鐵磁性B。由于兩鐵磁性層自發(fā)磁化的作用，右旋自旋和左旋自旋電子穿過隧道的幾率不同，由此產(chǎn)生巨磁電阻效應?？偨Y(jié)納米二氧化鈦的光催化特點。答：納米二氧化鈦的光催化原理是利用光來激發(fā)TiO2等化合物半導體，利用它們產(chǎn)生的電子和空穴來參加氧化-還原反應。大多數(shù)情況下，光催化反應都離不開空氣和水。TiO2的光催化性能不僅取決于光生載流子電極電位的高低，而且還取決于光生載流子的輸送，故不同晶體結(jié)構(gòu)對TiO2光催化性能會產(chǎn)生影響。晶粒對TiO2光催化性能也有影響：隨著粒徑的減小，TiO2的比表面積迅速增大，高的比表面積使TiO2具有很強的吸附能力，因而提高了光催化性能。為了提高光催化反應的量子產(chǎn)率、克服需要紫外線激發(fā)