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纳米作业
1、举例说明纳米材料有哪些基本效应?
答:
(1)尺寸效应和形状效应:
纳米材料的尺寸和形状的变化所引起材料的性能变化的现
图1-1Au纳米颗粒的熔点与尺寸关系
象。
纳米材料具有明显的尺寸效应和形状效应,其性能取决于尺寸和形状。
尺寸效应和形状效应的物理基础是量子效应和表面和表面或界面效应。
例如,纳米材料热学性能的尺寸效应:
尺寸减小,熔点降低。
如图1-1熔点随尺寸的减小降低。
在真空和SiO2玻璃中4.5nm直径Ag颗粒形状变化引起的消光系数的变化当正十面体转变为球形时消光系数增强,转变为星形时消光系数红移(Jinetal.,2008,Plasmonics)。
图1-2Ag纳米颗粒颜色的形状效应
(2)量子效应:
量子效应是指电子的能量被量子化,出现分立的能级,其波动行为受约束。
量子力学中,某一物理量的变化不是连续的,称为量子化。
纳米材料因量子效应而出现分立能级,当分立的能隙大于热能、电子的静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,纳米材料的电、磁、光、声、热、超导等性能会出现明显的变化,产生新的物理现象。
不同的物理量被量子化后会出现的新物理现象常被称为一个新的效
图1-3(a)金属纳米材料:
(b)半导体纳米材料
应,如库仑阻塞效应、A-B效应、量子霍尔效应、巨磁电阻效应等。
金属纳米材料,费米面准连续带消失,出现分立能级;半导体纳米材料,带隙变宽,导带和价带出现分立能级。
(3)表面或界面效应:
纳米材料尺寸变化所引起表面原子数目、比表面和表面能量迅速改变的现象。
随着尺寸的变小,材料表面的原子数、比表面积和比表面能将会显著地增加,从而使纳米材料的性能产生明显的变化。
如由{730},{210}和{520}等具有高指数晶面组成二十四面体Pt纳米颗粒表面的高指数原子台阶及悬键使催化能力可提高400%。
又例如,界面效应可使扩散系数大幅度增大:
如图2-4在不同温度下测量的纳米多晶Cu、Ni、Pd和单晶Cu、Ni、Pd扩散系数与单晶Cu、Ni、Pd扩散系数相比,几个纳米的多晶Cu、Ni、Pd的扩散系数可提高30个数量级,纳米晶的晶界体积分数均大于50%(Gleiter,2008,ActaMater.)。
图1-4不同温度下几种纳米晶的扩散系数变化曲线
2、简述溶液中纳米晶体的OstwaldRipening,digestiveripening及Orientedattachment机制的各自特征。
答:
1)OstwaldRipening机制:
OstwaldRipening是一种晶粒粗化机制,是经典的生长机制。
任何一个单体浓度下都存在一个平衡状态的临界半径,小于此临界半径的纳米晶将溶解,大于此半径的纳米晶将会继续长大。
随着纳米晶的生长和单体的消耗,临界晶核半径将逐渐增大。
由于小纳米晶的溶解甚至消失和大纳米晶的继续长大,纳米晶的尺寸分布更为广泛。
这个小颗粒减小大颗粒长大的过程。
OR机制特点为:
①小颗粒逐渐溶解,大颗粒逐渐长大。
②OR机制是以一维原子为基础的长大过程。
OR机制是晶体颗粒生长的一种重要方式,但在很多反应系统中,OR并不能充分地解释颗粒生长的动力学过程。
2)digestiveripening机制:
3)Orientedattachment机制:
Orientedattachment是一种特殊的晶粒协调的颗粒团聚生长(DLA)机制。
这种机制可以控制纳米粒子的尺寸、形状和微观结构,制备新形貌的纳米材料。
其特点为:
1OA机制是以纳米粒子为基础的长大过程。
2生长时为取向附生。
3可以通过添加表面方向剂来实现。
表面方向剂起到导向作用,实现粒子有方向的碰撞。
也可以通过调节PH值以及浓度来实现。
4OA机制在高能面晶粒结合,介观晶粒有各向异性。
OA机制可以通过以下两个途径发生,
(1)溶液中位向排列一致的纳米晶通过碰撞结合在一起;
(2)存在位向差的纳米晶接触后通过颗粒旋转降低界面能,形成单晶。
OA机制和OR机制并不冲突,在晶体生长的过程中,通常是两种同时发生,两者共同作用促进晶体的生长[。
当OA机制发生时,通常会出现位错等晶体缺陷,且晶体形状变的无规则;而OR机制通常会使晶体表面变的光滑.
3、简述基于表面等离基元共振(SPR)的生物传感器工作原理及其进展。
答:
4、拉曼光学,表面增强拉曼光谱,针尖增强拉曼光谱及Shell-isolatednanoparticle-enhancedRamanspectroscopy(SHINERS)技术的各自工作原理及四者比较的优缺点。
答:
1)拉曼光学:
拉曼散射的基本原理如图4-1示,拉曼散射是由光子与分子之间的能量转换造
图4-1拉曼散射的基本原理示意图
态(虚态是不稳定的),然后分子再跃迁回基态Eν=0,此过程则对应于弹性碰撞,跃迁过程中放出的光子的能量仍为hν0,即瑞利散射线。
若处于虚态的分子跃迁到Eν=1,则对应于非弹性碰撞,光子中的部分能量传递给分子,散射光子能量等于h(ν0-ν),这通常称为拉曼散射斯托克斯线;相类似的过程也可能发生在处于Eν=1的分子受入射光子hν0的激发而跃迁到受激虚态,然后又跃迁到基态Eν=0,光子从分子得到部分能量而变为h(ν0+ν),称为反斯托克斯线。
然而,由于拉曼散射是二次光子过程,分子的微分拉曼散射截面通常仅有(甚至低于)10-29cm-2sr-1,因此拉曼散射的致命缺点是检测灵敏度过低。
拉曼散射特点:
对商品无接触、无损伤;样品无需制备;快速分析鉴各种材料的特性与结构;能适合含黑色含水样品;高低温、高低压下测量;光谱成像快、简便、分辨率高;仪器稳定、体积适中;维护成本低,简单;高灵敏性;谱峰尖化;无需荧光标记。
应用:
癌症的早期诊断、皮肤各层组织的分子浓度分布和药物分子对其渗透作用的体内无损检测、动脉粥样硬化斑组成的检测、病原体微生物的快速鉴定等等。
2)表面增强拉曼光谱:
1977年0.Jeanmaire等人和G.Albreeht等人*分别独立提出了用于解释这个现象的电磁场增强理论和化学增强理论。
一般认为表面增强拉曼散射的信号增强是由电磁场增强和化学增强两部分构成的。
电磁场增强机理:
表面等离子激元共振(Surfaceplasmonresonanc,SPR,该增强机理为SERS增强的最主要来源),避雷针效应(lightningrodeffect)、镜像场作用(imagefieldeffect)。
化学增强原理:
电磁场理论在很大程度上可以很好的解释SERS,并且结果与分子的种类无关。
但是对于一些分子在某些情况下,比如带长链与金属相连的分子,实际的SERS强度比电磁场理论计算的还要大很多。
这时候就需要用化学增强理论来补充解释。
所谓的化学增强简单的说指的是金属和所吸附的分子之间发生了电荷转移使分子的极化率发生变化,导致激发出的拉曼散射信号变强。
3)针尖增强拉曼光谱:
TERS的基本原理如图4-2示,当入射光以适应的波长和偏振照射在纳米尺度的尖锐金属探针尖端时,在局部表面等离激元共振效应避雷针效应和天线效应的共同作用下,针尖附近近几纳米到十几纳米范围内会产生强烈的局部电磁效应,此时的金属针尖可以看作具有极高功率密度的纳米光源,激发激发针尖下方样品的拉曼信号。
图4-2尖端增强的拉曼散射工作原理示意图
4)Shell-isolatednanoparticle-enhancedRamanspectroscopy(SHINERS)技术:
田中群小组利用多孔氧化铝模板获得了一系列直径和长度可控的金属纳米阵列,并用做SERS基底,通过合成SiO2和Al2O3包裹的单层Au纳米颗粒来增强拉曼散射谱,这一新的方法称为Shell-isolatednanoparticle-enhancedRamanspectroscopy。
由于每个纳米颗粒相当于TERS系统中的一个,因此能够同时获得相当于成千上万个TERS探针信号,相比较TERS信号,其增强拉曼信号能提高102-103,并且由于被SiO2或Al2O3覆盖,能有效的保护SERS活性结构Au探针避免其与被测样品直接接触。
5、以MOSFET器件制备为例,简述半导体纳米器件的制备工艺及瓶颈技术。
答:
6、简述纳米发电机的基本概念,基本原理,产生电流输出的必要条件及最新进展。
答:
压电式纳米发电机:
利用特殊纳米材料()的压电效应,在受到外界拉伸或压缩作用时将机械能转化为电能的纳米器件供电装置。
纳米尺度的压电装置具有非常重要的价值,这是因为它们的运转可以利用周围环境中所具有的能量来提供动力。
例如,在原子力显微镜(AFM)针尖的作用下,使氧化锌纳米线发生形变,由于氧化锌纳米线本身的非对称中心结构使其具有压电性能。
纳米线的形变产生了压电电场,从而驱动外电路电子流
而达到发电的目的,如图所示:
这就是纳米发电的基本原理图,由于纳米线是垂直生长的,因此当用原子力显微镜针尖推动它的时候,纳米线就会形成带正应力的拉伸面和带负应力的收缩面。
根据实验检测,直径30nm,长度1um的氧化锌纳米线可以产生10mV的输出电压。
当使用N型氧化锌纳米线的时候,可以看到在压电电场的驱动下,由于在针尖和纳米线接触界面处肖特基势垒的存在,当针尖接触到拉伸面的时候,半导体的电势高于金属,产生反向偏压,有电势而无电流,只形成电子汇聚;只有当针尖接触到收缩面的时候,金属电势高于半导体,产生正向偏压,才能有电流产生。
这就直接造成了电信号的滞后。
从能带结构来说,纳米线在针尖的驱动下,由于金属和纳米线之间形成肖特基接触,产生了势垒,电子在肖特基处汇聚,当针尖扫到中间部位时,电势将为零,电子形成回流;而当针尖扫到负电压一面时,导带上移,形成了电子环流,这样就形成了发电效应。
在此过程中,压电电场起到类似于“泵”的作用,以克服其中的电势差。
世界上最小发电机—纳米发电机,基于规则的纳米线结构单元的问世,则成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能。
它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案,就是如何为许多研究组发明的纳米器件提供电力的问题。
引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。
纳米发电机的发明可以整合相关纳米器件,实现真正意义上的自驱动的纳米系统,它可以收集机械能,振动能,并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。
纳米发电机所产生的电能足够满足纳米器件和纳米系统所需,从而让纳米器件或纳米机器人实现能量自供。
目前为止,纳米发电机主要包括两类:
直立式发电机和封装型交流纳米发电机。
其中初期的直立式发电机存在一些弊端,例如,在驱动电极与纳米线距离的控制中,少量的误差就会造成发电机不能正常工作;直立式发电机工作时自由端和驱动电极要不断接触和摩擦,由此可能造成纳米线和电极的磨损,进而影响纳米电机的性能和寿命。
而在直立式发电机基础上诞生的封装型交流纳米发电机,则有效克服了直立式发电机的一些缺陷,与直立式纳米发电机相比,交流纳米发电机在许多方面有重大突破,其在环境机械能的转换和输出方面提供了一个崭新的方法和技术,并将纳米发电机向实际应用推进了一大步。
目前,单个的纳米发电机虽然研发出来,但其功率有限,未来真正使用的话,必须,要有大量纳米发电机共同工作,组成一个“发电机组”,让多个纳米发电机联合发电。
专家预测,纳米发电机在生物医学,军事,无线通信和无线传感等方面将有广泛的应用前景。
这项发明可以整合纳米器件,实现真正意义上的纳米系统:
可以收集机械能、震动能、流体能量,并将这些能量转化为电能提供给纳米器件;纳米发电机产生的电能足够让纳米器件或纳米机器人实现能量自供。
在最新的论文中,王中林团队报告了一种更加简单的装配技术。
首先,他们种植了一类新的纳米线阵列,并将这些呈圆锥形纳米线从衬底上切除,放入乙醇溶液中,随后再将这种包含了纳米线的溶液滴在一个细小的金属电极和一块柔软的聚合物薄膜上。
待乙醇挥发后,出现了一层新的纳米线/聚合物层,最
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