2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程的納米結(jié)構(gòu)控制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)，每小題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不屬于典型的納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的物理效應(yīng)？A.尺寸效應(yīng)B.表面效應(yīng)C.量子尺寸效應(yīng)D.密度效應(yīng)2.在制備高質(zhì)量薄膜時(shí)，下列哪種方法通常能夠獲得原子級(jí)平整度和極佳的晶格匹配？A.濺射沉積B.分子束外延（MBE）C.化學(xué)氣相沉積（CVD）D.溶膠-凝膠法3.透射電子顯微鏡（TEM）與掃描電子顯微鏡（SEM）相比，其主要優(yōu)勢(shì)在于？A.更易于觀察樣品表面形貌B.更高的樣品制備要求C.更高的分辨率，尤其對(duì)于樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)D.更適合觀察大面積樣品4.自組裝技術(shù)通常利用分子間相互作用（如范德華力、氫鍵）來(lái)構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)，以下哪項(xiàng)不是常見(jiàn)的自組裝驅(qū)動(dòng)力？A.熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的相分離B.力學(xué)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定C.化學(xué)驅(qū)動(dòng)的表面能降低D.靜電驅(qū)動(dòng)的電荷平衡5.要精確控制納米線的直徑在幾納米量級(jí)，以下哪種方法最具優(yōu)勢(shì)？A.機(jī)械研磨法B.原子層沉積（ALD）C.等離子體刻蝕D.熱蒸發(fā)法二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線上，每空2分，共20分）6.當(dāng)納米顆粒的尺寸減小到某個(gè)臨界值時(shí)，其光學(xué)吸收光譜會(huì)表現(xiàn)出__________現(xiàn)象，即吸收邊發(fā)生紅移。7.在利用化學(xué)氣相沉積（CVD）制備納米結(jié)構(gòu)時(shí)，前驅(qū)體氣體在高溫下發(fā)生__________和__________兩個(gè)主要步驟，最終在基板上沉積形成薄膜或納米結(jié)構(gòu)。8.掃描隧道顯微鏡（STM）利用__________原理，通過(guò)探測(cè)隧道電流隨樣品表面形貌的變化來(lái)成像，能夠獲得原子級(jí)分辨率。9.通過(guò)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行__________控制，可以顯著調(diào)節(jié)其導(dǎo)電性、磁性等物理性質(zhì)。10.量子點(diǎn)作為典型的零維納米結(jié)構(gòu)，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)可以通過(guò)__________來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題，每題5分，共20分）11.簡(jiǎn)述“表面效應(yīng)”在納米結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出的主要特征及其影響。12.比較溶膠-凝膠法和化學(xué)氣相沉積法在制備納米材料方面的主要區(qū)別。13.解釋什么是“自上而下”（Top-down）和“自下而上”（Bottom-up）的納米結(jié)構(gòu)制備策略，并各舉一例。14.為什么在表征納米材料時(shí)，樣品的制備過(guò)程需要特別謹(jǐn)慎？可能會(huì)引入哪些問(wèn)題？四、論述題（請(qǐng)圍繞下列主題展開(kāi)論述，每題10分，共20分）15.闡述納米結(jié)構(gòu)尺寸、形貌對(duì)其光學(xué)性質(zhì)（如吸收、發(fā)射）的影響機(jī)制，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。16.以一種具體的納米結(jié)構(gòu)（如納米線、納米片、量子點(diǎn)等）為例，詳細(xì)討論其在至少兩個(gè)不同應(yīng)用領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考量與性能優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.B5.B二、填空題6.藍(lán)移7.揮發(fā)；分解/沉積8.量子隧穿9.尺寸/形狀/組分/缺陷10.尺寸（或粒徑）三、簡(jiǎn)答題11.答：納米結(jié)構(gòu)表面原子占原子總數(shù)的比例遠(yuǎn)高于塊體材料。主要特征包括：比表面積大，表面能高，表面原子活性強(qiáng)，易發(fā)生表面吸附、催化反應(yīng)等。影響：顯著影響材料的物理化學(xué)性質(zhì)，如催化活性、光學(xué)特性、磁性行為等。12.答：溶膠-凝膠法主要利用溶液化學(xué)方法，通過(guò)溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠，再經(jīng)干燥、熱處理得到固體材料，通常適用于制備玻璃態(tài)或凝膠態(tài)材料，成本較低，工藝簡(jiǎn)單，可在較低溫度下進(jìn)行?；瘜W(xué)氣相沉積法是利用氣體前驅(qū)體在加熱的基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積成膜，通常能制備結(jié)晶性較好、致密的薄膜，沉積速率可調(diào)，但設(shè)備較復(fù)雜，可能存在毒害性氣體。13.答：自上而下策略是指從塊體材料開(kāi)始，通過(guò)物理或化學(xué)方法（如刻蝕、研磨、濺射、外延）逐步減小尺寸或刻蝕形狀，最終得到納米結(jié)構(gòu)（如刻蝕納米孔）。自下而上策略是指從原子、分子或納米團(tuán)簇開(kāi)始，通過(guò)化學(xué)合成、自組裝等方式，逐步構(gòu)建成有序的納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒的溶膠自組裝）。14.答：納米材料的尺寸通常在幾納米到幾十納米之間，遠(yuǎn)小于常規(guī)材料，其物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)制備過(guò)程中的微小變化非常敏感。不謹(jǐn)慎的制備過(guò)程可能引入的問(wèn)題包括：樣品污染（表面吸附雜質(zhì)）、尺寸分散度增大、形貌控制不精確、產(chǎn)生缺陷（如位錯(cuò)、空位）、引入應(yīng)力等，這些都會(huì)影響最終表征結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。四、論述題15.答：納米結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的影響主要源于量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米顆粒的尺寸減小到與光波長(zhǎng)或電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，電子的波函數(shù)受到限制，能級(jí)從連續(xù)變?yōu)榉至?，?dǎo)致禁帶寬度增大（對(duì)于半導(dǎo)體）。尺寸減小通常伴隨著吸收帶邊藍(lán)移（吸收波長(zhǎng)變短），發(fā)射光譜也表現(xiàn)為峰位藍(lán)移，且發(fā)光峰寬化。形貌（如納米棒、納米盤(pán)）則通過(guò)限制電子運(yùn)動(dòng)自由度（軸向、橫向），導(dǎo)致能級(jí)分裂和選擇性躍遷，從而影響吸收和發(fā)射光譜的位置、強(qiáng)度和偏振特性。例如，量子點(diǎn)的尺寸調(diào)控可實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)諧；納米棒的軸向尺寸決定其吸收/發(fā)射的偏振依賴(lài)性。16.答：以碳納米管（CNT）為例：*電子學(xué)應(yīng)用（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考量包括CNT的直徑、長(zhǎng)度、形貌（單壁/多壁）、缺陷密度和金屬性/半導(dǎo)體性。通過(guò)精確控制直徑（<1nm為金屬性，>1.5nm可帶半導(dǎo)體性）和摻雜可調(diào)控其導(dǎo)電性和載流子濃度。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極長(zhǎng)度需與CNT直徑相匹配以實(shí)現(xiàn)有效的電場(chǎng)調(diào)控。CNT的半導(dǎo)體特性使其在低功耗器件中有優(yōu)勢(shì)。*生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（藥物輸送/成像）：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考量包括CNT的直徑（影響細(xì)胞內(nèi)吞效率）、長(zhǎng)度（影響在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間和分布）、表面化學(xué)修飾（如接枝聚乙二醇PEG以增強(qiáng)穩(wěn)定性和降