1、納米材料的定義與分類。

最初納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體。

現(xiàn)在廣義: 納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍，或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。

如果按維數(shù)，納米材料可分為三大類：

零維：指在空間三維尺度均在納米尺度，如：納米顆粒，原子團(tuán)簇等。 

一維：指在空間有兩處處于納米尺度，如：納米絲，納米棒，納米管等。 

二維：指在三維空間中有一維處在納米尺度，如：超薄膜，多層膜等。

因?yàn)檫@些單元最具有量子的性質(zhì)，所以對(duì)零維，一維，二維的基本單元，分別又具有量子點(diǎn)，量子線和量子阱之稱。

2、什么是原子團(tuán)簇及原子團(tuán)簇有哪些分類?

原子團(tuán)簇：指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑一般等于或者小于1nm）。

原子團(tuán)簇的分類：

a.一元原子團(tuán)簇：即同一種原子形成的團(tuán)簇，如金屬團(tuán)簇，碳簇等。

b.二元原子團(tuán)簇：即有兩種原子構(gòu)成的團(tuán)簇，例如ZnnPm，AgnSm等。

c.多元原子團(tuán)簇：有多種原子構(gòu)成的團(tuán)簇，例如 Vn(C6H6)m等。

d.原子簇化合物：是原子團(tuán)簇與其它分子以配位鍵形成的化合物。(Ag)n(NH3)m。

3、通過(guò)Raman 光譜中任何鑒別單壁和多臂碳納米管? 如何計(jì)算單壁碳納米管直徑? 

利用微束拉曼光譜儀能有效地觀察到單臂納米管特有的譜線，這是鑒定單臂納米管非常靈敏的方法。

100-400cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)單臂納米管的特征峰，單臂納米管特有的環(huán)呼吸振動(dòng)模式；1609cm-1，這是定向多壁納米管的拉曼特征峰。

單臂管的直徑d與特征拉曼峰的波數(shù)成反比，即d = 224/w

d：?jiǎn)伪诠艿闹睆?，nm；

w：為特征拉曼峰的波數(shù)cm-1

4、碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理。

碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理包括V-L-S機(jī)理、表面（六元環(huán)）生長(zhǎng)機(jī)理。

（1）V-L-S機(jī)理：金屬和碳原子形成液滴合金，當(dāng)碳原子在液滴中達(dá)到飽和后開(kāi)始析出來(lái)形成納米碳管。根據(jù)催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的位置將其分為頂端生長(zhǎng)機(jī)理、根部生長(zhǎng)機(jī)理。

①頂端生長(zhǎng)機(jī)理：在碳納米管頂部，催化劑微粒沒(méi)有被碳覆蓋的的部分，吸附并催化裂解碳?xì)浞肿佣a(chǎn)生碳原子，碳原子在催化劑表面擴(kuò)散或穿過(guò)催化劑進(jìn)入碳納米管與催化劑接觸的開(kāi)口處，實(shí)現(xiàn)碳納米管的生長(zhǎng)，在碳納米管的生長(zhǎng)過(guò)程中，催化劑始終在碳納米管的頂端，隨著碳納米管的生長(zhǎng)而遷移；

②根部生長(zhǎng)機(jī)理：碳原子從碳管的底部擴(kuò)散進(jìn)入石墨層網(wǎng)絡(luò)，擠壓而形成碳納米管，底部生長(zhǎng)機(jī)理最主要的特征是：碳管一末端與催化劑微粒相連，另一端是不含有金屬微粒的封閉端；

（2）表面（六元環(huán)）生長(zhǎng)機(jī)理：碳原子直接在催化劑的表面生長(zhǎng)形成碳管，不形成合金。 

表面擴(kuò)散機(jī)理：用苯環(huán)坐原料來(lái)生長(zhǎng)碳納米管，如果苯環(huán)進(jìn)入催化劑內(nèi)部，會(huì)被分解而產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖蜌錃馔瑫r(shí)副產(chǎn)物的檢測(cè)結(jié)果為只有氫氣而沒(méi)有碳?xì)浠?。說(shuō)明苯環(huán)沒(méi)有進(jìn)入催化劑液滴內(nèi)部，而只是在催化劑表面脫氫生長(zhǎng)，也符合“帽式”生長(zhǎng)機(jī)理。

5、氣相和溶液法生長(zhǎng)納米線的生長(zhǎng)機(jī)理。

（1）氣相法反應(yīng)機(jī)理包括：V-L-S機(jī)理、V-S機(jī)理、碳納米管模板法、金屬原位生長(zhǎng)。 ①V-L-S機(jī)理：反應(yīng)物在高溫下蒸發(fā)，在溫度降低時(shí)與催化劑形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔體液滴在端部不斷吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的過(guò)飽和而凝固形成納米線。

②V-S機(jī)理：首先沉底經(jīng)過(guò)處理，在其表面形成許多納米尺度的凹坑蝕丘，這些凹坑蝕丘為納米絲提供了成核位置，并且它的尺寸限定了納米絲的臨界成核直徑，從而使生長(zhǎng)的絲為納米級(jí)。

③碳納米管模板法：采用碳納米管作為模板，在一定溫度和氣氛下，與氧化物反應(yīng)，碳納米管一方面提供碳源，同時(shí)消耗自身；另一方面提供了納米線生長(zhǎng)的場(chǎng)所，同時(shí)也限制了生成物的生長(zhǎng)方向。

④金屬原位生長(zhǎng)：

（2）溶液法反應(yīng)機(jī)理包括溶液液相固相、選擇性吸附。

①S-L-S機(jī)理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差別在于 SLS 法納米線成長(zhǎng)的 液態(tài)團(tuán)簇來(lái)源于溶液相，而 VLS 法則來(lái)自蒸氣相。

②選擇性吸附：選擇性吸附配位劑或表面活性劑，并在平行于生長(zhǎng)方向的晶面生長(zhǎng)。

6、納米顆粒紅外吸收寬化和藍(lán)移的原因是什么?

紅外吸收帶的寬化原因：

納米氮化硅、SiC、及Al2O3粉對(duì)紅外有一個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜，這是由于納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒(méi)有一個(gè)單一的，擇優(yōu)的鍵振動(dòng)模，而存在一個(gè)較寬的鍵振動(dòng)模的分布，在紅外光場(chǎng)作用下，它們對(duì)紅外吸收的頻率也就存在一個(gè)較寬的分布。這就導(dǎo)致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。 藍(lán)移原因：

與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長(zhǎng)方向。 表面效應(yīng)：由于納米微粒尺寸小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。 對(duì)納米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近鄰和第二近鄰的距離變短。鍵長(zhǎng)的縮短導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動(dòng)頻率增大，結(jié)果使紅外光吸收帶移向了高波數(shù)。（化學(xué)鍵的振動(dòng)） 量子尺寸效應(yīng)：由于顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向。Ball等對(duì)這種藍(lán)移現(xiàn)象給出了普適性的解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級(jí)與未被占據(jù)分子軌道能級(jí)之間的寬度（能隙）隨顆粒直徑減小而增大，這是產(chǎn)生藍(lán)移的根本原因。這種解釋對(duì)半導(dǎo)體和絕緣體都適應(yīng)。（電子躍遷）

7、光催化的基本原理以及提高光催化活性的途徑有哪些?

光催化的基本原理：

當(dāng)半導(dǎo)體納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴時(shí)，電子具有還原性，空穴具有氧化性?？昭ㄅc半導(dǎo)體納米粒子表面OH―反應(yīng)生成氧化性很高的·OH自由基，這種活潑的·OH自由基可把許多難降解的有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無(wú)機(jī)物。

提高光催化活性的途徑：半導(dǎo)體的光催化活性主要取決于:導(dǎo)帶與價(jià)帶的氧化―還原電位。價(jià)帶的氧化―還原電位越正，導(dǎo)帶的氧化―還原電位越負(fù)，則光生電子和空穴的還原及氧化能力越強(qiáng)，光催化的效率就越高。

（1）減小半導(dǎo)體光催化劑的顆粒尺寸，可以提高其催化效率。（a.當(dāng)半導(dǎo)體粒子d＜某一臨界值，量子尺寸效應(yīng)變的顯著,這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶變成分離能級(jí)，能隙變寬，價(jià)帶電位變的更正，導(dǎo)帶電位變的更負(fù)，這就增加了光生空穴和電子的氧化還原能力。b.光生載流子可通過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)散，從粒子內(nèi)部遷移到粒子的表面，而與電子給體或受體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的時(shí)間越小，光電電荷分離效果就越高，電子和空穴的復(fù)合概率就越小，從而導(dǎo)致光催化活性的提高。c.納米半導(dǎo)體的尺寸越小，處于表面的原子越多，比表面積越大，大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體催化吸附的能力從而提高了光催化降解有機(jī)物的能力。）

（2）通過(guò)對(duì)納米半導(dǎo)體材料進(jìn)行敏化，攙雜，表面修飾以及表面沉淀金屬或金屬氧化物等方法，顯著改善光吸收及光催化性能

8、什么是庫(kù)侖堵塞效應(yīng)以及觀察到的條件？

庫(kù)侖堵塞效應(yīng)：由于庫(kù)侖堵塞能的存在對(duì)一個(gè)小體系的充放電過(guò)程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子傳輸，這種現(xiàn)象叫做庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。

庫(kù)侖堵塞是在極低溫度下觀察到的.

觀察到的條件是:（e2/2C）> kBT

有人曾統(tǒng)計(jì)如果量子點(diǎn)的尺寸為nm，可在室溫下觀察到上述效應(yīng)。量子點(diǎn)是十幾nm。上述效應(yīng)必須在液氮溫度下。

9、半導(dǎo)體納米顆粒的量子限域效應(yīng)和介電限域效應(yīng)對(duì)其吸收邊、發(fā)光峰的影響有哪些？

式中：E（r）:納米微粒的吸收帶隙，Eg(r=∞) 為體相的帶隙， r為粒子半徑

μ=[me-1+mh-1]-1為粒子的折合質(zhì)量，其中me和mh分別為電子和空穴的有效質(zhì)量

第二項(xiàng)為量子限域能（藍(lán)移），第三項(xiàng)為電子-空穴的庫(kù)侖作用能(紅移),表明介電限域效應(yīng),

第四項(xiàng)為有效里德伯能

由上式可以看出，隨著粒子半徑的減少，量子限域效應(yīng)為主，其吸收光譜發(fā)生藍(lán)移；介電限域效應(yīng)導(dǎo)致介電常數(shù)ε增加引起吸收邊藍(lán)移，其吸收光譜發(fā)生紅移。

10、納米材料中的聲子限域和壓應(yīng)力如何影響其Raman 光譜？

聲子限域效應(yīng)加強(qiáng)，使Raman峰向低波方向移動(dòng)，發(fā)生藍(lán)移，表面包覆或鑲嵌某物質(zhì)時(shí)，Raman要考慮正壓力的影響，正壓力增加，Raman光譜向高波數(shù)方向移動(dòng)，發(fā)生紅移。

11、制備納米材料的氣相法和濕化學(xué)法。

（1）高溫氣相法：指直接利用氣體或者通過(guò)各種手段將物質(zhì)變成氣體，在載氣的作用下通過(guò)傳輸在反應(yīng)區(qū)冷凝，進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過(guò)程中凝聚長(zhǎng)大形成納米顆粒的方法。

高溫氣相法根據(jù)反應(yīng)原理或裝置特點(diǎn)分類：

①若反應(yīng)中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)：熱蒸發(fā)法

②若反應(yīng)中有化學(xué)反應(yīng)：化學(xué)氣相沉積

③若反應(yīng)中使用金屬氧化物：金屬有機(jī)化學(xué)沉積

④若反應(yīng)中有激光激發(fā)：激光燒蝕法

⑤若反應(yīng)能夠控制檢測(cè)生長(zhǎng)速度：分子束外延技術(shù)

（2）濕化學(xué)法：有液相參加，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備材料的方法。

濕化學(xué)法根據(jù)反應(yīng)原理或裝置特點(diǎn)分類：

①若為敞開(kāi)體系：包括一般性溶液反應(yīng)

②若為密閉體系：水熱、溶劑熱

③有機(jī)溶劑參與反應(yīng)：有機(jī)溶劑回流

④膠體化學(xué)法：在有機(jī)相中反應(yīng)，反應(yīng)能溶于有機(jī)相形成膠體溶液。

12、什么是納米結(jié)構(gòu)，并舉例說(shuō)明它們是如何分類的，自組裝納米結(jié)構(gòu)形成的條件是什么？ 

納米結(jié)構(gòu)：是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)。按一定規(guī)律構(gòu)筑和營(yíng)造一種新的體系。它包括一維、二維、三維體系。

分類: 關(guān)于納米結(jié)構(gòu)組裝體系的劃分至今沒(méi)有一個(gè)成熟的看法。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力是靠外因還是靠?jī)?nèi)因來(lái)劃分，大致可分為兩大類。

（1）人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系：按照人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人為的將納米尺度的物質(zhì)單元組裝。排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系。包括納米有序陣列和介孔復(fù)合體系。

（2）納米結(jié)構(gòu)自組裝體系和分子自組裝體系：是指通過(guò)弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵、配位鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子、分子或納米結(jié)構(gòu)單元連接在一起構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。

納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系的形成有兩個(gè)重要的條件：

（1） 有足夠數(shù)量非共價(jià)鍵或氫鍵存在（因?yàn)闅滏I和范德瓦耳斯鍵等非共價(jià)鍵很弱（0.1—5kcal /mol）只有足夠量的弱鍵存在，才能通過(guò)協(xié)同作用構(gòu)筑成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)體系。

(2) 是自組裝體系能量較低，否則很難形成穩(wěn)定的自組裝體系。

13、簡(jiǎn)單討論納米顆粒的組裝方法

納米顆粒的組裝的基本思路是溶解、揮發(fā)、組裝。
溶解：配制成膠體溶液

揮發(fā)：自然揮發(fā)或者加入使溶質(zhì)溶解度降低的溶劑，使其從溶液中沉淀出來(lái)。

組裝：人工組裝或自組裝

納米團(tuán)簇的超分子化學(xué)組裝方法可分為兩類：

①DNA指導(dǎo)：

②氣泡作模板：

③半導(dǎo)體納米粒子組裝：

④金屬膠體組裝：

⑤膠態(tài)晶體法：是利用膠體溶液的自組裝特性使納米團(tuán)簇組裝成膠態(tài)晶體，得到二維或三維的超晶格；

⑥模板法：是利用納米團(tuán)簇與組裝模板間的識(shí)別作用來(lái)帶動(dòng)團(tuán)簇的組裝，由于選定的組裝模板與納米顆粒之間的識(shí)別作用，而使得模板對(duì)組裝過(guò)程具有指導(dǎo)作用，組裝過(guò)程更完善；

14、一維納米結(jié)構(gòu)的組裝方法有哪些，例舉說(shuō)明2種納米器件的結(jié)構(gòu)。

一維納米結(jié)構(gòu)的組裝：

（1）模板法組裝納米結(jié)構(gòu)：將流體組裝技術(shù)與表面模板技術(shù)結(jié)合在一起成功地將一維納米結(jié)構(gòu)組裝成平行陣列。

（2） 技術(shù)表面壓力組裝納米棒陣列：通過(guò)表面張力的遞增，使原本無(wú)序排列的各向同性的納米棒首先排列成二維向列性排布，繼而排列成二維近晶性的有序結(jié)構(gòu)，多層這種二維結(jié)構(gòu)疊加在一起，最終得到三維排列的有序納米棒的陣列，3D－向列。

（3）電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)組裝：采用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)組裝的方法將納米線的組裝與其半導(dǎo)體性質(zhì)的測(cè)量聯(lián)系起來(lái)。

（4）催化劑的圖案化；通過(guò)對(duì)催化劑模板化，在有催化劑的地方反應(yīng)，沒(méi)有催化劑的地方不反應(yīng)，從而制備一定規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)材料。

（5）其他方法：eg加熱ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳襯底或Si襯底上生長(zhǎng)分級(jí)納米結(jié)構(gòu)；以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多晶Al2O3襯底上分別得到了ZnO螺旋槳狀納米結(jié)構(gòu)。

2種納米器件的結(jié)構(gòu)：ZnO納米線直流發(fā)電機(jī)；納米管收音機(jī)；納米尺度太陽(yáng)能電池。

15、“尺寸選擇沉淀法”制備單分散銀納米顆粒的基本原理是什么？

十二烷硫醇包覆的Ag粒子在庚烷中將其分散，這些粒子尺寸分散性比較大，為了降低這種多分散性，需要采用尺寸選擇沉淀法。

具體做法是： 

① 包覆型 Ag粒子在己烷中具有高的可溶性，而在吡啶中的可溶性差。先將包覆型 Ag粒子溶解在己烷中。

② 如果將吡啶緩慢加到含有包覆型 Ag粒子的己烷中，則當(dāng)吡啶達(dá)到某一給定體積時(shí)，溶液將出現(xiàn)渾濁，并有沉淀出現(xiàn)，這相應(yīng)于最大粒子的凝聚。這些粒子之間的范得瓦耳斯力比較大，溶液中加吡啶，Ag粒子聚集沉淀。

③ 經(jīng)離心沉淀分離，將大粒子收集起來(lái)，小粒子留在懸浮液中。（離心的轉(zhuǎn)速要適當(dāng)）

④最大粒子凝聚體是可逆的。如將這些沉淀物放入己烷中再分散，即可形成均質(zhì)的清澈透明溶液。將上述溶液滴一滴到TEM的碳柵極上，可得非常完整的組織。（如果將碳柵極浸入溶液3小時(shí)，則形成六角密堆積網(wǎng)絡(luò)有序結(jié)構(gòu)，這些聚集體的平均尺寸可以從0.03μm2到0.55 μm2。經(jīng)高倍放大后，可看到，納米粒子有兩種不同的對(duì)稱性排列。

16、目前人們已經(jīng)制備了哪些納米結(jié)構(gòu)單元、復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和納米器件。哪些納米結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有增強(qiáng)物理和化學(xué)性能。

納米結(jié)構(gòu)單元：0維: 團(tuán)簇、納米顆粒、八面體、三角形、多面體等；一維: 納米線、納米棒、納米帶、納米管和納米錐等；二維: 納米片等。

復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)：嵌段共聚物有序的自組裝成為超分子納米結(jié)構(gòu)；多層膜；自組裝形成管狀、球狀、層狀和蘑菇狀的結(jié)構(gòu)

納米器件：ZnO納米線直流發(fā)電機(jī)、光子晶體、納米棒的邏輯敏電路、納米管收音機(jī)、納米線染料敏化太陽(yáng)能電池。

17、單電子晶體管的原理是什么？

晶體管：是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。

單電子晶體管：用一個(gè)或者少量電子就能記錄信號(hào)的晶體管。

原理：?jiǎn)坞娮泳w管是依據(jù)庫(kù)倫堵塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理設(shè)計(jì)和制造的一種新型的納米結(jié)構(gòu)器件，在兩個(gè)電極中間的絕緣層的中間再做一個(gè)電極，使之帶半個(gè)電荷，兩邊的電極就會(huì)感應(yīng)半個(gè)符號(hào)相反的電荷，因此可以通過(guò)電極Ⅱ上電壓的變化來(lái)控制隧穿效應(yīng)的發(fā)生。