名校出品：材料化学期末考试题及答案.pdf

1、以下为答题纸，共6页北京大学化学与分子工程学院考试专用纸姓名：学号：负责教师：荆西平考试科目：材料化学考试时间：2022 年 6 月 21 日 上午题号 一 二 三 四 五 附加 总分 总分 分数 北京大学北京大学考场考场纪律纪律 1、考生要按规定的考试时间提前 5 分钟进入考场，隔位就坐或按照监考人员的安排就座，将学生证放在桌面。无学生证者不能参加考试；迟到超过 15 分钟不得入场；与考试无关人员不得进入考场。考生在考试开始 30 分钟后方可交卷出场；未交卷擅自离开考场，不得重新进入考场继续答卷；交卷后应离开考场，不得在考场内逗留或在考场附近高声交谈。2、除非开卷考试中教师另有说明，除必要的

2、文具和主考教师允许的工具书、参考书、计算器以外，其它所有物品（包括空白纸张、手机等）不得带入座位，已经带入考场的手机等电子设备必须关机，不得随身携带或放在座位旁边，应与其他物品一起放在监考人员指定的位置。3、考试使用的试题、答卷、草稿纸由监考人员统一发放，考试结束时收回，一律不准带出考场。若有试题印制问题应向监考人员提出，不得向其他考生询问。考生提前答完试卷，应举手示意请监考人员收卷后方可离开；考试结束监考人员宣布收卷时，考生应立即停止答卷，在座位上等待监考人员收卷清点后，方可离场。4、考生要严格遵守考场规则，在规定时间内独立完成答卷。不准旁窥、交头接耳、打暗号或做手势，不准携带与考试内容相关

3、的材料参加考试，不准使用手机、非教师允许的计算器等具有信息发送、接受、存储功能的设备，不准抄袭或协助他人抄袭试题答案或者与考试内容相关的资料，不准传、接或者交换试卷、答卷、草稿纸，不准由他人代替考试或替他人参加考试等。凡违反考试纪律或作弊者，按北京大学本科考试工作与学习纪律管理规定给予相应处分。5、考生须确认自己填写的个人信息真实、准确，并承担信息填写错误带来的一切责任与后果。学校倡议所有考生诚信答卷，共同维护北京大学的学术声誉。1一、回答下列问题一、回答下列问题（21 分）1.我们常说材料化学是研究材料的组成、结构和性能之间的关系，此处“组成”、“结构”和“性能”均有两个层次的含义。从两个层

4、次上表述这三个概念的含义（3 分）。2.（征集题）一些材料的分析和表征技术常用英文缩写表示，如 XRD、SEM、TEM、EXAFS、EPMA、EPR 等。请把以上的缩写分别填入下面相应表征要求后的括号中（6 分）：（1）检测材料中是否有单电子缺陷（）；（2）测定材料的晶胞参数（）；（3）观察陶瓷材料的表面形貌（）；（4）观察纳米颗粒的形状/尺寸（）；（5）玻璃中金属离子的配位环境（）；（6）分析材料的化学组成（）。3.（征集题）右图为不同尺寸的 PbSe 量子点 的吸收光谱。从上到下量子点的吸收峰发生了“蓝移”还是“红移”？相应地，量子点的尺寸 发生了怎样的变化？这一现象被称为纳米材料的何种效

5、应？（共 3 分）。4.我们常常把玻璃的结构描述为：短程有序，长程无序。请说明在石英玻璃中这一描述的确切含义（2 分）。写出支持这个结构的一种实验证据（1 分）。5.在下列体系中可能存在的主要缺陷是什么？写出相应的缺陷符号（6 分）：（1）用 MgCl2掺杂 KCl，（2）用 CaO 掺杂 ZrO2，（3）用 Eu2O3掺杂 Y2O3 （4）高温处理过的 BaFBr（5）高温 O2气氛处理的 La2CuO4（6）在高温弱还原气氛下处理的 ZnO 二、作图并回答二、作图并回答（29 分）6.位型坐标模型可以很好地解释很多发光现象。在位形坐标中画出某体系基态和激发态的能量曲线（2 分），并用图文结

6、合的方法表示或解释：（1）激发过程（1 分）和（2）发射过程（1 分），（3）温度猝灭效应（2 分）和（4）Stokes 位移（2 分）。装订线内不要答题27.画出 p轨道一维单原子链中 k=0 和 k=/a 时波函数位相示意图（2 分）。在下面相应的图中画出 a=1 和 3 的 E k 能带图（2 分），在另一个图中画出两种 a 值对应的能态密度图(DOS)（2 分）。p轨道波函数:k=0 k=/a 8.（征集题）KCI 是一种常见的碱金属卤化物，通常条件下它是一种白色晶体。当在 K 蒸气中加热后，KCl 逐渐呈紫色。请写出该过程的缺陷反应方程式（2 分），画出 KCl 的能带结构示意图和

7、K 蒸气加热后所形成缺陷能级的大致位置（2 分），解释材料呈紫色的原因（1 分）。9.(征集题)半导体材料的电导率随温度的变化一般有三个阶段。请在下图中示意地表示电导率随温度变化的三个阶段，并请解释各自的导电机理（以 n 型半导体为例，4 分）。10.（本次征集题）如果把一块单晶薄膜贴到粉末衍射仪的样品槽上，使用粉末衍射仪的正常程序收集数据，会得到怎样的一个数据？请画出示意图（2 分）并解释（1 分）。如果将一个粉末样品，放置于单晶衍射仪上，又可以得到怎样的信息？请画出示意图（2分）并解释（1 分）。k=0 k=/a E a=1 k=0 k=/a E a=3 DOS E 装订线内不要答题1/T

8、 lg 3三、按题中要求分析下列结构三、按题中要求分析下列结构（7 分）11.Ruddlesden-Popper 相可以看成是由立方钙钛矿结构与 NaCl 结构交替排列而形成的一类重要的无机材料的结构，可以用通式(AO)(ABO3)m(ABO3)n表示。Sr3Sn2O7的结构在左下图中给出，请用 Ruddlesden-Popper 相的通式表示该物相（1 分）。12.Ba6Nd2Ti4O17 具有 12 层六方钙钛矿结构（见右上图）。这个结构可看成 Ba 和 O 组成的密置层沿 c 轴堆积，Ti 和 Nd 占据 O 构成的八面体空隙而形成的。在该结构中 TiO6和 NdO6八面体通过共顶点或共

9、面连接。请从上面的箭头所指的原子层开始向下，到下面的箭头为止，用 h 和 c 表示各密致层的堆积形式（共 5 层）（2 分）。13.（本次征集题）沸石分子筛是重要的石油化工催化材料。下图是一种沸石晶体结构的一部分，其中多面体的每一个顶点均代表一个 T 原子（T 可为 Si 或 Al），每一条边代表一个氧桥（即连接两个 T 原子的氧原子）。该结构可以看成是由 6 个正方形和 8 个正六边形围成的凸多面体（称为 笼），通过六方柱笼与相邻的四个 笼相连形成的三维立体结构，如下图所示：(1)若将每个 笼看作一个原子，六方柱笼看作原子之间的化学键，上图可以简化成什第 11 题 第 12 题 装订线内不要

10、答题笼笼六方柱笼六方柱笼4么结构？画出这种结构的图形。（0.5 分）(2)该沸石 F 心复晶胞内有几个 笼？（0.5 分）(3)假设该沸石骨架仅含有 Si 和 O 两种元素，写出其晶胞内每种元素的原子数。（0.5分）(4)已知沸石中 Si 与最邻近 Si 的距离约 0.31nm，请估算该沸石的晶体密度。（2.5 分）四、相图分析四、相图分析（13 分）14.在下面三元相图中，A、B、C、AB、AC 和 BC 均为已知物相，且有标准 X-射线衍射数据；实线 A-BC，AB-BC 和 AC-BC 均为二元共存线。（1）有 a 点，其组成落在 AB 和AC 的连线上；b 点落在 A-BC 及 AB-

11、AC 的交点上。当用 AB 和 AC 为原料分别配成组成为 a 和 b 的两个试样，在高温下使其达到平衡。问最终 a 试样和 b 试样中各含有那种物相（4 分）。（2）有一样品组成在 AC-BC-C 三角形内的 c 点，怎样利用该样品的 X-射线粉末衍射图判断在该三角形内是否有新物相（2 分）。15.（征集题）A 和 B 能形成两种化合物 A2B 和 AB2，A 的熔点比 B 的低，A2B 的熔点介于 A 和 B 的熔点之间，AB2高温下发生转熔，分解为液相和 A2B，转熔温度介于 A 和A2B 的熔点之间，A 参与的低共熔点低于 B 参与的低共熔点。请画出该二元相图（2.5分），并注明所有相

12、区存在的相态（4.5 分）。五、计算与推导五、计算与推导（30 分）16.ZrO2中掺入部分 Y2O3后，可以将高温立方相保持到室温，并成为优良的氧离子导体。请写出掺杂固溶体分子式通式（1 分）。掺杂后材料中形成何种缺陷（1 分）？假设当掺杂量变化时，晶胞参数不变（实际上，晶胞参数会有微小的变化），推导并化简固溶体密度 d 与掺杂量 x 的关系（3 分），计算掺杂量 x 为 0.2 时固溶体的密度（1 分）。ZrO2晶胞参数：a=5.128，晶胞中所含分子数：Z=4。原子量：Zr：91.2；Y：88.9；O：16.0 装订线内不要答题 5 17.（本次征集题）材料的热释电和铁电效应是用一阶极张

13、量描述的物理性质，只有极性晶类的晶体才能具有这些性质。请用张量变换的方式说明为何 P222 空间群结构没有热释电现象和铁电效应（3 分）。在实际中人们发现所有的极性晶类的晶体都具有热释电效应，而其中的一小部分可以表现出铁电效应，请说明原因。（1 分）18.（征集题）LaMnO3具有钙钛矿结构，是巨磁阻材料的基质材料，通常条件下表现出弱的 p 型导电性，表明材料中存在少量的 Mn4+。通过掺杂 Sr2+离子，并在 O2气氛作用下其 p 型电导率明显增加。请写出其中的缺陷反应平衡式（3 分），指出 Mn4+浓度与 Sr2+掺杂量的关系（用缺陷符号表示）（1 分）。19.（征集题）拓扑绝缘体(Top

14、ological insulator)是一类具有特殊能带结构的新型材料，其体相具有与普通绝缘体类似的能带结构，而表面态却具有类似金属的能带结构。实验与理论计算表明，Bi2Se3是一种拓扑绝缘体，Kong 等人用气相沉积的方法制备了 Bi2Se3的纳米带（ACS Nano 2011,5,4698）。（1）类似于 O2，Se 具有较高的蒸气压，在气相沉积过程中 Bi2Se3会偏离理想的组成比，形成 n 型半导体。写出缺陷形成的方程式（2 分），如何控制条件有利于制备符合理想组成的材料（1 分）？（2）导体的载流子的浓度可以通过 Hall 效应测定。Kong 等人测量了 Bi2Se3纳米带的装订线内

15、 不要答题 6Hall 电阻 Rxy与磁场强度的关系（见下图），用 AFM 测量了 Bi2Se3纳米带的厚度 h（见内嵌图）。试根据图中信息，计算 Bi2Se3中的电子浓度 n（以电子数/cm3为单位)（4 分）。以下提示供参考：按 Hall 效应原理分析；Hall 电阻 Rxy 不是 Hall 系数，Rxy=UH/I（UH：Hull 电压；I：电流）；电压 U=电场强度 E距离 L；I=电流密度 导体截面积 S；=n电子电量 e电子迁移速度 v；e=1.6010-19 C；T：特斯拉，磁场强度 SI 单位。20.结构因子Fhkl是反映了晶胞对散射X射线振幅的贡献,表示晶体中正空间点阵晶胞内所有原子散射在衍射方向上的合振幅，其平方与衍射强度成正比。结构因子的数学表达式为：1exp2()nhkljjjjjFfi hxkylz=+有一面心立方金属晶体。（1）请写出晶胞中 4 个原子的坐标（2 分）；（2）计算（1 0 0），（3 1 1）两个晶面的结构因子（4 分），并说明哪个晶面是衍射消光的（1 分）。提示：cossiniyeyiy=+，fi为常数 21（本次征集题）请给出你印象最深刻的一种优异功能材料，并阐述其优异性能的根源（限 200 字）。（2 分）I h B 装订线内不要答题