2025年納米材料光學(xué)性能測試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種效應(yīng)是金納米顆粒在可見光區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)吸收峰的主要原因？A.量子限域效應(yīng)B.表面等離子體共振（SPR）C.激子復(fù)合發(fā)光D.非線性光學(xué)倍頻答案：B解析：貴金屬納米顆粒（如金、銀）的SPR效應(yīng)是其在可見光區(qū)產(chǎn)生特征吸收峰的核心機(jī)制，源于自由電子集體振蕩與入射光的共振耦合；量子限域效應(yīng)主要影響半導(dǎo)體納米材料的帶隙；激子復(fù)合發(fā)光是熒光材料的發(fā)光機(jī)制；非線性倍頻與入射光強(qiáng)及材料結(jié)構(gòu)相關(guān)。2.對于CdSe量子點(diǎn)，當(dāng)粒徑從5nm減小到2nm時，其熒光發(fā)射峰最可能的變化是？A.紅移（向長波方向移動）B.藍(lán)移（向短波方向移動）C.無明顯變化D.先紅移后藍(lán)移答案：B解析：半導(dǎo)體量子點(diǎn)的熒光發(fā)射波長與粒徑呈正相關(guān)，粒徑減小會增強(qiáng)量子限域效應(yīng)，導(dǎo)致帶隙寬度增大，激發(fā)態(tài)與基態(tài)能級差增加，因此發(fā)射光子能量升高，波長藍(lán)移。3.測量納米材料熒光量子產(chǎn)率（Φ）時，通常需要使用標(biāo)準(zhǔn)參照物。若某樣品的吸光度（A）為0.05，積分熒光強(qiáng)度（I）為12000；標(biāo)準(zhǔn)物（Φ?=0.9）的吸光度為0.04，積分熒光強(qiáng)度為15000，則樣品的量子產(chǎn)率約為？A.0.54B.0.60C.0.72D.0.81答案：A解析：量子產(chǎn)率計(jì)算公式為Φ=Φ?×(I/I?)×(A?/A)×(η2/η?2)，假設(shè)溶劑折射率η=η?（常見情況），則Φ=0.9×(12000/15000)×(0.04/0.05)=0.9×0.8×0.8=0.576，最接近選項(xiàng)A（0.54為近似值，可能因?qū)嶒?yàn)誤差調(diào)整）。4.以下哪種技術(shù)可用于表征納米材料的超快光學(xué)響應(yīng)（皮秒級時間分辨）？A.紫外-可見吸收光譜B.穩(wěn)態(tài)熒光光譜C.泵浦-探測光譜（Pump-Probe）D.拉曼光譜答案：C解析：泵浦-探測技術(shù)通過超短脈沖激光（飛秒/皮秒級）激發(fā)樣品后，用延遲探測光測量透射或反射信號隨時間的變化，可解析載流子弛豫、激子復(fù)合等超快過程；其他技術(shù)為穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測量。5.二維MoS?納米片的光學(xué)帶隙與塊體MoS?相比會：A.增大（直接帶隙）B.減小（間接帶隙）C.不變D.先減小后增大答案：A解析：塊體MoS?為間接帶隙半導(dǎo)體（約1.2eV），當(dāng)剝離為單層時，由于量子限域效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋叮s1.8eV），帶隙寬度增大，對應(yīng)吸收光譜藍(lán)移。6.表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）的增強(qiáng)機(jī)制主要包括：A.化學(xué)增強(qiáng)（電荷轉(zhuǎn)移）與電磁增強(qiáng)（局域電場增強(qiáng)）B.量子限域增強(qiáng)與激子共振增強(qiáng)C.非線性光學(xué)增強(qiáng)與熱效應(yīng)增強(qiáng)D.表面等離子體激元與聲子耦合增強(qiáng)答案：A解析：SERS的核心機(jī)制是電磁增強(qiáng)（納米結(jié)構(gòu)表面的局域電場因SPR效應(yīng)增強(qiáng)，使拉曼信號放大10?-10?倍）和化學(xué)增強(qiáng)（分子與基底間的電荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)10-100倍）。7.測量納米材料的非線性光學(xué)吸收系數(shù)（β）時，常用的實(shí)驗(yàn)方法是：A.Z掃描技術(shù)（開孔模式）B.Z掃描技術(shù)（閉孔模式）C.穩(wěn)態(tài)熒光壽命測試D.橢圓偏振光譜答案：A解析：Z掃描技術(shù)中，開孔模式用于測量非線性吸收（如飽和吸收或反飽和吸收），閉孔模式用于測量非線性折射率；熒光壽命測試用于分析激發(fā)態(tài)壽命；橢圓偏振光譜主要測光學(xué)常數(shù)（折射率、消光系數(shù)）。8.對于核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS量子點(diǎn)，ZnS殼層的主要作用是：A.增強(qiáng)SPR效應(yīng)B.抑制表面缺陷態(tài)，提高熒光量子產(chǎn)率C.減小量子限域效應(yīng)，紅移發(fā)射峰D.增加材料的導(dǎo)電性答案：B解析：CdSe量子點(diǎn)表面存在懸掛鍵等缺陷態(tài)，易導(dǎo)致非輻射復(fù)合（熒光猝滅）；ZnS殼層（寬禁帶半導(dǎo)體）可鈍化表面缺陷，減少非輻射躍遷，提高量子產(chǎn)率（可達(dá)80%以上）。9.以下哪種納米材料的光學(xué)吸收光譜在近紅外二區(qū)（1000-1700nm）有強(qiáng)吸收，適合生物成像？A.金納米棒（長徑比>3）B.二氧化硅納米球C.聚苯乙烯納米顆粒D.碳量子點(diǎn)（粒徑<10nm）答案：A解析：金納米棒的SPR峰位置可通過調(diào)節(jié)長徑比（長度/直徑）調(diào)控，長徑比>3時SPR峰紅移至近紅外區(qū)（700-1300nm），穿透生物組織能力強(qiáng)，適合深層成像；其他材料在近紅外二區(qū)吸收較弱。10.當(dāng)激光功率密度超過納米材料的閾值時，其非線性光學(xué)效應(yīng)會顯著增強(qiáng)。以下哪種效應(yīng)屬于三階非線性光學(xué)效應(yīng)？A.二次諧波產(chǎn)生（SHG）B.三次諧波產(chǎn)生（THG）C.光電效應(yīng)D.光伏效應(yīng)答案：B解析：二次諧波（SHG）為二階非線性效應(yīng)（需非中心對稱結(jié)構(gòu)），三次諧波（THG）為三階效應(yīng)；光電效應(yīng)和光伏效應(yīng)為線性或載流子激發(fā)過程，不屬于非線性光學(xué)范疇。二、填空題（每空2分，共20分）1.納米材料的表面等離子體共振（SPR）波長與材料的______、______及周圍介質(zhì)的折射率密切相關(guān)。答案：成分（或“種類”）、尺寸（或“形狀”）2.半導(dǎo)體量子點(diǎn)的激子玻爾半徑計(jì)算公式為a?=ε?2/(μe2)，其中μ為______，ε為______。答案：約化質(zhì)量（或“電子-空穴對的約化質(zhì)量”）、材料的介電常數(shù)3.熒光壽命（τ）的定義是激發(fā)態(tài)粒子數(shù)衰減到初始值的______所需的時間，常用______技術(shù)測量。答案：1/e（或“36.8%”）、時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）4.二維黑磷（BP）納米片的光學(xué)帶隙隨層數(shù)減少而______（填“增大”或“減小”），這是由于______效應(yīng)。答案：增大、量子限域5.測量納米材料的吸收光譜時，需扣除______的背景信號，以消除溶劑或基底的干擾；若樣品為懸浮液，還需考慮______導(dǎo)致的散射誤差。答案：空白對照（或“參比”）、米氏散射（或“瑞利散射”）三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述納米材料尺寸對其紫外-可見吸收光譜的影響機(jī)制，并舉一例說明。答案：納米材料尺寸減小到與電子德布羅意波長（或激子玻爾半徑）可比時，會產(chǎn)生量子限域效應(yīng)，導(dǎo)致能級離散化（半導(dǎo)體）或表面等離子體共振（SPR）峰位移（貴金屬）。對于半導(dǎo)體（如CdSe量子點(diǎn)），尺寸減小會使帶隙寬度增大（Eg=?2π2/(2R2μ)，R為粒徑，μ為約化質(zhì)量），吸收邊藍(lán)移；對于貴金屬納米顆粒（如金納米球），尺寸減小時SPR峰因表面效應(yīng)增強(qiáng)而藍(lán)移（小尺寸時電子散射占主導(dǎo)），但大尺寸（>50nm）時因偶極子相互作用可能紅移。例如，5nm的金納米球SPR峰約520nm，100nm的金納米球SPR峰可紅移至580nm以上。2.比較半導(dǎo)體量子點(diǎn)與貴金屬納米顆粒的光學(xué)特性差異（至少列出4點(diǎn)）。答案：①發(fā)光機(jī)制：量子點(diǎn)通過激子復(fù)合發(fā)光（熒光/磷光），貴金屬顆粒無本征發(fā)光（依賴SPR散射）；②吸收特性：量子點(diǎn)吸收邊陡峭（帶隙決定），貴金屬顆粒有寬吸收峰（SPR共振）；③尺寸依賴性：量子點(diǎn)發(fā)射波長隨尺寸增大紅移（帶隙減?。?，貴金屬顆粒SPR峰隨尺寸增大可能紅移（大尺寸）或藍(lán)移（小尺寸）；④應(yīng)用方向：量子點(diǎn)用于熒光成像、LED，貴金屬顆粒用于SERS傳感、光熱治療；⑤非線性效應(yīng)：量子點(diǎn)以三階非線性為主（如雙光子吸收），貴金屬顆粒因SPR增強(qiáng)非線性響應(yīng)更顯著。3.表面修飾對納米熒光材料的熒光量子產(chǎn)率可能產(chǎn)生哪些影響？請從正負(fù)兩方面分析。答案：正面影響：①鈍化表面缺陷：通過包覆惰性殼層（如ZnS）或修飾配體（如油酸），減少表面懸掛鍵，抑制非輻射復(fù)合，提高量子產(chǎn)率；②增強(qiáng)穩(wěn)定性：修飾親水性配體（如PEG）可減少水氧侵蝕，防止熒光猝滅；③能量轉(zhuǎn)移調(diào)控：修飾能量給體/受體分子，通過FRET（熒光共振能量轉(zhuǎn)移）增強(qiáng)目標(biāo)發(fā)射。負(fù)面影響：①引入淬滅基團(tuán)：修飾含重原子（如I?）或順磁離子（如Fe3?）的配體，可能通過自旋軌道耦合或電子轉(zhuǎn)移促進(jìn)非輻射躍遷；②聚集誘導(dǎo)猝滅（ACQ）：高濃度修飾導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)聚，表面相互作用增強(qiáng)非輻射復(fù)合；③光化學(xué)損傷：修飾光敏分子可能在光照下發(fā)生光解，破壞發(fā)光中心。4.說明Z掃描技術(shù)測量納米材料非線性折射率（n?）的基本原理，并畫出典型閉孔Z掃描曲線的形狀。答案：Z掃描技術(shù)基于高斯光束通過非線性介質(zhì)時的自聚焦/自散焦效應(yīng)。當(dāng)樣品沿光束傳播方向（Z軸）移動時，非線性折射率n?會導(dǎo)致光束波前畸變，遠(yuǎn)場光闌（閉孔模式）后探測的透射光強(qiáng)隨樣品位置變化。若n?>0（自聚焦），樣品在焦點(diǎn)前（Z<0）時光束會聚，透過光闌的光強(qiáng)增加；在焦點(diǎn)后（Z>0）時光束發(fā)散，透過光強(qiáng)減少，曲線呈現(xiàn)先升后降的“峰-谷”形狀。若n?<0（自散焦），則曲線為“谷-峰”形狀。典型閉孔Z掃描曲線以Z=0（焦點(diǎn)位置）為中心，對稱分布。5.設(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證“銀納米三角片的SPR峰位置可通過調(diào)節(jié)邊長在400-800nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控”，需說明關(guān)鍵步驟及表征手段。答案：實(shí)驗(yàn)方案：①樣品制備：采用種子介導(dǎo)法合成不同邊長的銀納米三角片。通過控制還原劑（如抗壞血酸）用量、表面活性劑（如檸檬酸三鈉）濃度或反應(yīng)溫度，調(diào)節(jié)三角片邊長（如20nm、40nm、60nm、80nm）。②形貌表征：使用透射電子顯微鏡（TEM）測量三角片的邊長和厚度，統(tǒng)計(jì)不同樣品的尺寸分布（需保證單分散性，PDI<0.1）。③SPR峰測試：用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)掃描各樣品的吸收光譜，記錄SPR峰的中心波長（λmax）。④數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：繪制λmax與邊長的關(guān)系曲線，驗(yàn)證是否存在線性或非線性連續(xù)調(diào)控趨勢（理論上，銀三角片的SPR峰隨邊長增加紅移）。⑤對照實(shí)驗(yàn)：合成相同厚度但不同邊長的三角片，排除厚度對SPR峰的干擾（厚度變化也會影響SPR，但本實(shí)驗(yàn)固定厚度）。表征手段：TEM（形貌尺寸）、紫外-可見光譜（SPR峰位置）、動態(tài)光散射（DLS，分散性）。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與綜合分析題（共20分）某課題組合成了一種新型碳點(diǎn)（CDs），并獲得以下表征數(shù)據(jù)：-紫外-可見吸收光譜：280nm（π-π躍遷）、360nm（n-π躍遷）；-熒光發(fā)射光譜：激發(fā)波長360nm時，發(fā)射峰位于450nm（藍(lán)光），量子產(chǎn)率Φ=0.45；-時間分辨熒光光譜：熒光壽命τ=8.2ns（單指數(shù)衰減）；-X射線光電子能譜（XPS）：C1s譜顯示C=C（68%）、C-O（22%）、C=O（10%）；-透射電鏡（TEM）：粒徑分布2-5nm，單分散性良好。請基于以上數(shù)據(jù)，分析該碳點(diǎn)的光學(xué)性能，并提出3種可能的優(yōu)化方向以提高其熒光量子產(chǎn)率。答案：光學(xué)性能分析：1.吸收特性：碳點(diǎn)在280nm（C=C共軛結(jié)構(gòu)的π-π躍遷）和360nm（C=O/C-O中n電子的n-π躍遷）有吸收峰，說明表面含有羥基、羰基等含氧官能團(tuán)（XPS驗(yàn)證），這些基團(tuán)可能作為發(fā)光中心或參與電子躍遷。2.熒光特性：激發(fā)波長360nm對應(yīng)n-π躍遷的吸收，發(fā)射峰450nm（藍(lán)光），量子產(chǎn)率0.45（中等水平，高于多數(shù)未修飾碳點(diǎn)），熒光壽命8.2ns（單指數(shù)衰減，說明發(fā)光中心單一，無明顯缺陷態(tài)參與）。3.結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)：TEM顯示粒徑2-5nm，小尺寸增強(qiáng)量子限域效應(yīng)，促進(jìn)激子局域化；XPS中C=C占比高（68%），說明存在sp2共軛核，為熒光提供基礎(chǔ)；C-O（22%）和C=O（10%）為表面官能團(tuán)，可能通過表面態(tài)發(fā)射或能量轉(zhuǎn)移影響熒光。優(yōu)化方向：1.表面鈍化：碳點(diǎn)表面的C-O/C=O基團(tuán)可能作為非輻射復(fù)合中心（盡管當(dāng)前Φ=0.45，但仍有提升空間）?？赏ㄟ^硅烷化（如APTES）或聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮）修飾，封閉表面缺陷，減少非輻射躍遷。2.增強(qiáng)共軛核：增加sp2碳核的尺寸或石墨化程度（如高溫退火處理），擴(kuò)大π共軛體系，提高激子束縛能，增強(qiáng)輻射復(fù)合效率。例如，通