納米科學與微納制造》復習材料1、納米材料有哪些危害性？答：納米技術對生物的危害性：1）在常態下對動植物體友好的金，在納米態下則有劇毒；2） 小于1OOnm的物質進入動物體內后，會在大腦和中樞神經富集，從而影響動物的正常生存；3） 納米微粒可以穿過人體皮膚，直接破壞人體的組織及血液循環。2、什么是納米材料、納米結構？答：納米材料：納米級結構材料簡稱為納米材料，是指組成相或晶粒結構的尺寸介于 1nm?100nm范圍之間.納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。納米材料有兩層含義：其一，至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構成整體材料的結構單元的尺度小于100nm，如納米晶合金中的晶粒；其二，尺度效應：即當尺度減小到納米范圍，材料某種性質發生神奇的突變，具有不同于常規材料的、優異的特性量子尺寸效應。納米結構：以納米尺度的物質為單元按一定規律組成的一種體系。3、 什么是納米科技？答：納米科技是研究在1T00nm內，原子、分子和其它類型物質的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內對原子、分子進行操縱和加工的技術。4、 什么是納米技術的科學意義？答：納米尺度下的物質世界及其特性，是人類較為陌生的領域，也是一片新的研究疆土在宏觀和微觀的理論充分完善之后，再介觀尺度上有許多新現象、新規律有待發現，這也是新技術發展的源頭；納米科技是多學科交叉融合性質的集中體現，我們已不能將納米科技歸為任何一門傳統的學科領域而現代科技的發展幾乎都是在交叉和邊緣領域取得創新性的突破的，在這一尺度下，充滿了原始創新的機會因此，對于還比較陌生的納米世界中尚待解釋的科學問題，科學家有著極大的好奇心和探索欲望。5、 納米材料有哪4種維度？舉例說明答：零維：團簇、量子點、納米粒子一維：納米線、量子線、納米管、納米棒

二維：納米帶、二維電子器件、超薄膜、多層膜、晶體格三維：納米塊體6、名詞解釋：STM、AFM、SEM、TEM答：二維：納米帶、二維電子器件、超薄膜、多層膜、晶體格三維：納米塊體6、名詞解釋：STM、AFM、SEM、TEM答：STM(scanningtunnelingmicroscope)掃描隧道顯微鏡AFM(AtomicForceMicroscope)原子力顯微鏡SEM(scanningelectronmicroscope)掃描電子顯微鏡TEM(TransmissionElectronMicroscope)透射電子顯微鏡XRF(XRayFluorescence)X射線熒光光譜分析7、 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的工作原理掃描隧道顯微鏡：在樣品與探針之間加上小的探測電壓，調節樣品與探針間距，控制系統使針尖靠近樣品表面，當針尖原子與樣品表面原子距離＜10?時，由于隧道效應，探針和樣品表面之間產生電子隧穿，在樣品的表面針尖之間有一納安級電流通過，電流強度對探針和樣品表面間的距離非常敏感，距離變化1?，電流就變化一個數量級左右。移動探針或樣品，使探針在樣品上掃描。原子力顯微鏡：將一個對微弱力極敏感的彈性微懸臂一端固定另一端的針尖與樣品表面輕輕接觸，當針尖尖端原子與樣品表面間存在極微弱的作用力(10-8-10-6N)時，微懸臂會發生微小的彈性形變，針尖和樣品之間的作用力與距離有強烈的依賴關系(遵循胡克定律)8、 納米科技的分類?納米科技從研究內容上可以分為三個方面：?納米材料，是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度，并且具有特殊性能的材料。是納米科技發展的物質基礎。?納米器件，就是指從納米尺度上，設計和制造功能器件。納米器件的研制和應用水平是進入納米時代的重要標志。?納米尺度的檢測和表征。9、 請敘述什么是小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。小尺寸效應：當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常的現象。表面效應：納米超微粒子的表面原子數與總原子數之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，納米粒子的表面原子所處的位場環境及結合能與內部原子有所不同存在許多懸空鍵，配位嚴重不足，具有不飽和性質，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。因而極易與其它原子結合而趨于穩定。?量子尺寸效應：當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化的效應。?宏觀量子隧道效應：當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。?10、與常規材料相比，納米微粒的熔點、燒結溫度和比熱發生什么變化，并分別解釋原因?熔點和開始燒結溫度比常規粉體的低得多，比熱容增加。?熔點下降的原因：由于顆粒小，納米微粒的表面能高、表面原子數多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大（為原子運動提供動力），納米粒子熔化時所需增加的內能小，這就使得納米微粒熔點急劇下降。?燒結溫度降低原因：納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結過程中高的界面能成為原子運動的驅動力，有利于界面附近的原子擴散，有利于界面中的孔洞收縮，空位團的埋沒因此，在較低的溫度下燒結就能達到致密化的目的，即燒結溫度降低?比熱容增加：納米結構材料的界面結構原子雜亂分布，晶界體積百分數大（比常規塊體），因而納米材料熵對比熱的貢獻比常規材料高很多需要更多的能量來給表面原子的振動或組態混亂提供背景，使溫度上升趨勢減慢。?11、激子的定義是什么？答：在光躍遷過程中，被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個束縛態，稱為激子。通常可分為萬尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間范圍，庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導體中；后者電子和空穴束縛在體元胞范圍內，庫侖作用較強，這種激子主要是在絕緣體中。12、試解釋磁性納米顆粒尺寸小到一定臨界值時出現超順磁性的原因超順磁狀態的起源可歸為以下原因：?A當顆粒尺寸小于單疇臨界尺寸，隨尺寸減小，磁各向異性能（磁疇方向）減小到與熱運動能可相比擬，在熱擾動作用下，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規律的變化，結果導致超順磁性的出現；?B不同種類的納米磁性微粒顯現超順磁性的臨界尺寸是不相同的；?13、試述納米材料的光致發光不同于常規材料的原因?1）由于顆粒很小，出現量子限域效應，界面結構的無序性使激子、特別是表面激子很容易形成因此容易產生激子發光帶；?2）界面體積大，存在大量的缺陷，從而使能隙中產生許多附加能級；?3） 平移周期被破壞，在K空間常規材料中電子躍遷的選擇定則可能不適用晶體場不對稱4） 雜質能級——雜質發光帶處于較低能量位置，發光帶比較寬？14、 什么是“自上而下”和“自下而上”？“自上而下”：是指通過微加工或固態技術，不斷在尺寸上將人類創造的功能產品微型化。?“自下而上”：是指以原子分子為基本單元，根據人們的意愿進行設計和組裝，從而構筑成具有特定功能的產品，這種技術路線將減少對原材料的需求，降低環境污染。?15、 氣相法制備納米微粒的分類？?氣相法制備納米微粒包括：化學氣相反應法：氣相分解法，氣相合成法，氣－固反應法物理氣相法：氣體冷凝法，氫電弧等離子體法，濺射法，真空沉積法，加熱蒸發法，混合等離子體法。16、 液相法制備納米微粒的分類？液相法制備納米微粒分為：沉淀法，水熱法，溶膠凝膠法，冷凍干燥法，噴霧法17、 試述氣體冷凝法制備納米微粒的基本原理?定義:此種制備方法是在低壓的氬、氦等惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發后形成超微粒（1~1000nm）或納米微粒。原理：整個過程是在超高真空室內進行，通過分子渦輪使其達到上的真空度，然后充入低壓（約2KPa）的凈惰性氣體（He或Ar，純度為~%）,欲蒸的物質（例如，金屬，CaF2,NaCl,FeF等離子化合物、過渡族金屬氮化物及易升華的氧化物等）置于坩堝內，通過鎢電阻加熱器或石墨

加熱器等加熱裝置逐漸加熱蒸發，產生原物質煙霧，由于惰性氣體的對流，煙霧向上移動，并接近充液氦的冷卻棒（冷阱，77K）在蒸發過程中，原物質發出的原子與惰性氣體原子碰撞而迅速損失能量而冷卻，在原物質的蒸氣中造成很高的局域過飽和，導致均勻的成核過程，在接近冷卻棒的過程中，原物質的蒸氣首先形成原子簇，然后形成單個納米微粒在接近冷卻棒表面的區域內，單個納米微粒聚合長大，最后在冷卻棒表面上積累起來用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起來獲得納米粉。18、溶膠凝膠法制備納米微粒的基本原理將金屬醇鹽或無機鹽經水解,然后使溶質聚合凝膠化，再將凝膠干燥、煅燒除去有機成分，最后得到無機材料。化學氣相沉積法物理氣相沉積法脈沖激光沉積法分子束外延19、名詞解釋CVD、PVD、PLD、MBE、化學氣相沉積法物理氣相沉積法脈沖激光沉積法分子束外延PVD(PhysicalVaporDeposition)PLD(PulsedLaserDeposition)MBE(MolecularBeamEpitaxy)PECVD(plasmaenhancedchemicalvapordeposition)等離子體增強化學氣相沉積法納米科技的定義：在1?100nm尺度范圍內，研究物質（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學科交叉的科學與技術。如何識別真假納米技術識別真假納米技術主要有兩個標準：（1） 材料的顯微結構尺寸是否小于100nm；（2） 材料和器件是否具有不同于常規材料的、新穎的和重大改進的物理、化學或生物學特性和功能。原子力顯微鏡在納米加工時有哪幾種工作模式？接觸模式：微懸臂探針緊壓樣品表面，檢測時與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過微懸臂的變形進行測量該模式下，針尖與樣品表面相接觸，分辨率高，但成像時針尖對樣品的作用力較大，適合表面結構穩定的樣品。輕敲模式：用處于共振狀態、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面進行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產生相應變化，從而得到樣品的表面形貌。該模式下，掃描成像時針尖對樣品進行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，能有效克服接觸模式下因針尖的作用力，尤其是橫向力引起的樣品損傷，適合于柔軟或吸附樣品的檢測。非接觸模式。23.掃描隧道顯微鏡STM曝光加工的特點要求抗蝕劑層必須很薄，一般不超過50nmSTM探針與曝光面之間沒有任何電子透鏡系統；傳統電子束曝光系統有透鏡聚焦系統STM曝光是低能電子曝光，比傳統電子束曝光劑量大24.光學曝光的作用把設計制作的掩模版上的圖形轉換成基片上的器件結構光學曝光可分為掩膜對準式曝光與投影式曝光。其中前者分為接觸式曝光和臨近式曝光，后者分為1:1投影和縮小投影。接觸式曝光和臨近式曝光與投影式曝光是三種基本光學曝光方式。接觸式曝光的致命缺點：掩模的損傷，包括接觸摩擦對掩模上鉻層的破壞，也可能使部分光刻膠由于接觸粘附到掩模版上.27.光學曝光加工的工序有10步：基片表面處理。通常清洗后的基片需要在烘箱(150-2001)干燥15分鐘到半小時。為了保證光刻膠在后續的刻蝕工藝中不會脫落，有時還要在涂膠之前涂一層化學增附劑.涂膠。將干燥后的基片置于勻膠臺上，通過高速旋轉將膠均勻地“甩”到整個基片表面。前烘。前烘的目的是為了去除膠膜中殘存的溶劑,使膠膜干燥，以增強膠膜與基片的粘附性和膠膜的耐磨性。常用工藝條件為烘箱中(8or)干燥10-15分鐘或熱板上(溫度ioor)烘烤1分鐘。曝光。涂有光刻膠的基片可以放進光刻機中進行曝光。如果不是第一次曝光則需要首先找到基片上的對準標記，與掩模上的標記對準。當一定波長的光線(一般利用紫外光)通過掩模上的透光區照射到光刻膠上，被輻照的光刻膠就會發生相應的光化學反應。（5） 后烘。光線照射到光刻膠與基片界面上會產生部分反射，反射光會使掩模不透光區下邊的光刻膠進行曝光；反射光與入射光疊加會形成駐波,駐波會造成光刻膠邊緣曝光結果出現螺紋狀.（6）顯影。將顯影液全面地噴在光刻膠上，或將曝光后的樣片浸在顯影液中幾十秒鐘，則正型光刻膠的曝光部分（或負型膠的未曝光部分）被溶解，從而形成了圖形.（7）清除殘膠。顯影后通常會在基片表面殘留一層非常薄（約幾納米）的膠層,不利于下一步的圖形轉移.主要用氧氣等離子刻蝕半分鐘。（8）堅膜。堅膜又叫硬烘烤.一般將顯影后的基片通過加溫烘烤使經顯影時軟化、膨脹的膠膜堅固。（9）圖形轉移。通過濕法腐蝕或干法刻蝕的方法把經曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現與光刻膠相同的圖形。（10）去膠。圖形轉移后,光刻膠已完成使命,需要清除掉。光刻膠一般分為兩種：正型（Positive）光刻膠：所產生的圖案將會與掩模版上的圖案相同負型（Negative）光刻膠：所產生的圖案與掩模版上的相反納米壓印模板材料選擇需注意哪些問題？選擇模板材料的關鍵在于它們的機械特性。包括硬度，熱膨脹系數和導熱性。通常要求模板材料硬度和拉伸強度高，熱膨脹系數小，抗腐蝕性好，確保模版耐磨，變形小，從而保證其壓印精度和使用壽命。熱壓印法的工藝過程分三步:壓模制備、壓印過程、圖形轉移熱壓印的基本原理：利用電子束刻印技術或其他先進技術，把堅硬的壓模毛坯加工成一個壓模:然后在用來繪制納米圖案的基片上旋涂一層聚合物薄膜，將其放人壓印機加熱并且把壓模壓在基片上的聚合物薄膜上，再把溫度降低到聚合物凝固點附近并且把壓模與聚合物層相分離，就在基片上做出了凸起的聚合物圖案（還要稍作腐蝕除去凹處殘留的聚合物）紫外壓印的工藝流程：首先都必須準備一個具有納米圖案的模版，而UV-NIL的模版材料必須使用可以讓紫外線穿透的石英；并且在硅基板涂布一層低粘度、對UV感光的液態高分子光刻膠；在模版和基板對準充成后，將模版壓入光刻膠層并且照射紫外光使光刻膠發生聚合反應硬化成形；然后脫模、進行刻蝕基板上殘留的光刻膠便完成整個UV-NIL自組裝納米加工一般具有如下4個特征：由個體集合形成整體組織或系統的過程是自發的、自動的。自發意味著一旦條件滿足，個體組裝成整體的過程自然起始；自動意味著在組裝過程中不需要人為干涉進程。因此，自組裝是個體之間相互作用的結果。個體之間的結合是非共價鍵力的