納米材料和器件教學(xué)大綱.doc

納米材料和器件教學(xué)大綱第一部分：使用說明一、課程編號：10322007二、課程性質(zhì)與特點(diǎn)：納米科技是21世紀(jì)非常重要的，將對人類的生存、學(xué)習(xí)和發(fā)展產(chǎn)生重要影響的科技領(lǐng)域，掌握納米科技與納米器件的相關(guān)知識已成為現(xiàn)代凝聚態(tài)物理、材料物理和化學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、生物、微電子機(jī)械等學(xué)科的重要基礎(chǔ)。納米材料與器件是理工科本科或大專各專業(yè)的最新選修課程。本課程重要介紹納米科技中最新的研究成果和發(fā)展方向，包括納米材料和器件的原理，量子特性，制備加工，性能結(jié)構(gòu)和表征檢測方法等內(nèi)容，為將來學(xué)生在微電子領(lǐng)域開發(fā)研究打下理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。三、在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用：本課程將介紹納米材料與器件的概念、分類、設(shè)計(jì)和表征，是半導(dǎo)體物理，半導(dǎo)體器件和微電子學(xué)課程等的重要補(bǔ)充，可為學(xué)生畢業(yè)后從事集成電路、光電子器件和納米科技方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。四、教學(xué)目的：通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握納米科學(xué)及技術(shù)的基本概念、理論及基本規(guī)律，并對納米材料與器件課程的基本內(nèi)容有較系統(tǒng)的認(rèn)識。通過該課程的學(xué)習(xí)，也可使學(xué)生了解到當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢以及與其它各學(xué)科的交叉滲透關(guān)系，特別是納米電子器件方面的相關(guān)知識。培養(yǎng)學(xué)生在介觀領(lǐng)域中分析問題、解決問題的能力。通過納米材料和器件整個教學(xué)學(xué)習(xí)過程，不斷提高學(xué)生素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，為今后的知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新打下必要的基礎(chǔ)，為培養(yǎng)高層次、綜合性、復(fù)合型人才提供保證。五、學(xué)時與學(xué)分：本課程總學(xué)時為48學(xué)時，3學(xué)分，其中上課學(xué)時34學(xué)時，實(shí)驗(yàn)學(xué)時14學(xué)時，每周3學(xué)時。六、教學(xué)方法：以講授為主，授課重點(diǎn)應(yīng)突出納米科技制備的納米材料與納米器件的新的物理、化學(xué)、電子特性。強(qiáng)調(diào)納米電子學(xué)的新的物理現(xiàn)象和原理。利用我院和分析測試中心的設(shè)備，讓學(xué)生做4個實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在了解納米科技相關(guān)技術(shù)的同時，自己動手從納米材料與器件的制備、表征、性能測試和結(jié)果進(jìn)行實(shí)踐操作，最后寫出綜合性實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告，提高學(xué)生動手能力和知識創(chuàng)新能力。七、考核方式：考查課程。平時考核與期末考試相結(jié)合。平時考核：作業(yè)和實(shí)驗(yàn)成績占20%；綜合性實(shí)驗(yàn)科技小論文成績占20%。期末考試：閉卷筆答，成績占60%。八、教材及主要參考書目：（一）教材 張立德主編，納米結(jié)構(gòu)與納米材料，科學(xué)出版社，2002年11月。（二）參考書目 1 朱 靜主編，納米材料與器件，清華大學(xué)出版社，2005年11月。2 張志焜主編，納米技術(shù)與納米材料，國防工業(yè)出版社，2000年9月。 3 閻守勝主編，介觀物理學(xué)，北京大學(xué)出版社，2000年8月。 第二部分：課程內(nèi)容第一章 納米科技發(fā)展綜述 教學(xué)目的與要求：了解納米科技的提出與發(fā)展，基本概念和研究對象，納米科技的基本概念和內(nèi)涵，納米科學(xué)的定義、范圍。了解納米科技世界競爭態(tài)勢與我國納米科技綜合競爭力評價(jià)情況。掌握納米材料的分類、研究歷史和研究現(xiàn)狀，納米網(wǎng)絡(luò)資源的發(fā)展?fàn)顩r，研究特點(diǎn)和研究內(nèi)容。教學(xué)方法：利用多媒體介紹納米科技的提出與發(fā)展，基本概念和研究對象，通過實(shí)例形象講解，加深印象。教學(xué)重點(diǎn)： 在這章要讓學(xué)生掌握和理解納米科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)非常要的、將對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生顯著影響的科技領(lǐng)域。材料性能的重大改進(jìn)以及制造方式的重大變化，將在新世紀(jì)引起一場新的技術(shù)革命。納米科技具有多學(xué)科交叉性質(zhì)，它的內(nèi)容包括納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米加工學(xué)、納米光子學(xué)、納米檢測與表征。納米材料與器件是這些分支學(xué)科的共同交點(diǎn)，是納米科技的核心和基礎(chǔ)。教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 納米科技概念第二節(jié) 納米科技的重要意義和納米科技的研究領(lǐng)域第三節(jié) 納米科技的世界競爭態(tài)勢與我國納米科技綜合競爭力評價(jià)，我國納米科技發(fā)展?fàn)顩r第四節(jié) 納米材料的分類、研究歷史和研究現(xiàn)狀，納米網(wǎng)絡(luò)資源的發(fā)展?fàn)顩r第五節(jié) 納米材料的研究特點(diǎn)和研究內(nèi)容第六節(jié) 納米科技可能對人類的危害和預(yù)防第二章 納米微粒的基本理論教學(xué)目的與要求：掌握久保理論、電子能級的統(tǒng)計(jì)學(xué)和熱力學(xué)基本概念和內(nèi)容。掌握由于納米尺寸而產(chǎn)生的量子效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、派爾斯相變基本概念和內(nèi)容。掌握由于納米尺寸而產(chǎn)生的納米材料布里淵區(qū)的變化，納米尺寸與光波波長，德希羅意波長及相干長度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，晶體的周期性的邊界條件將被破壞而導(dǎo)致的物理規(guī)則的改變特點(diǎn)和內(nèi)容。熟悉納米尺寸表面能、表面原子數(shù)的特征以及引起性能的改變等知識，了解和掌握納米尺寸內(nèi)電子的傳導(dǎo)行為、庫侖作用的影響、量子隧穿的基本特征相關(guān)知識內(nèi)容。教學(xué)方法：本章內(nèi)容是該課程的基礎(chǔ)，要在普通物理和近代物理學(xué)知識的基礎(chǔ)上讓學(xué)生理解納米尺度下微粒所遵循的物理基本理論，了解量子力學(xué)等概念在應(yīng)用物理中的作用的發(fā)展前景。教學(xué)重點(diǎn)：本章的教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生領(lǐng)會納米尺度下為什么材料會出現(xiàn)電子能級的不連續(xù)性，量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及庫侖堵塞與量子隧穿效應(yīng)，要從機(jī)理上讓學(xué)生理解介觀尺度下這些新特性的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 電子能級的不連續(xù)性第二節(jié) 量子尺寸效應(yīng)第三節(jié) 小尺寸效應(yīng)第四節(jié) 表面效應(yīng)第五節(jié) 庫侖堵塞與量子隧穿第六節(jié) 介電限域效應(yīng)第三章 納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理特性教學(xué)目的與要求：了解熟悉納米微粒的微觀結(jié)構(gòu)、形貌特征。熟悉納米微粒的獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性能，掌握物理性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。教學(xué)方法：在教學(xué)的同時，讓學(xué)生作一個實(shí)驗(yàn)，并測試該納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理性能，增加學(xué)生對納米尺度微粒的結(jié)構(gòu)與物理性能基本性能和理論的理解。教學(xué)重點(diǎn)： 本章教學(xué)重點(diǎn)在納米微粒的物理性能的介紹和講解，要讓學(xué)生了解和領(lǐng)會納米微粒特殊的熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、表面活性及敏感特性、光催化等特性在實(shí)際應(yīng)用技術(shù)中的開發(fā)前景，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 納米結(jié)構(gòu)與形貌第二節(jié) 納米微粒的物理性能第四章 納米微粒的制備與表面修飾教學(xué)目的與要求：了解機(jī)械粉碎法、氣體凝聚法、離子濺射法、冷凍干燥法及其他方法制備納米微粒的基本技術(shù)。了解氣相化學(xué)反應(yīng)法、沉淀法、噴霧熱解法、水熱合成法、溶膠-凝膠法制備納米顆粒的基本方法。了解沉淀法、噴霧法、水熱法、溶劑揮發(fā)法制備納米顆粒的基本方法。熟悉納米顆粒的表面物理和化學(xué)修飾的原理與過程。教學(xué)方法：本章內(nèi)容是物理與材料類學(xué)科學(xué)生在以后的科研和生產(chǎn)實(shí)踐中最容易接觸到的問題，在教學(xué)的同時，通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備讓學(xué)生作一個實(shí)驗(yàn)，了解和熟悉納米材料制備的物理方法。教學(xué)重點(diǎn)： 本章教學(xué)重點(diǎn)在氣相法制備納米微粒的一般原理和方法的講解，講課的同時讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)領(lǐng)會講課內(nèi)容，培養(yǎng)動手解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 氣相法制備納米微粒第二節(jié) 液相法制備納米微粒第三節(jié) 納米微粒的表面修飾第五章 納米材料的表征與測量教學(xué)目的與要求：了解納米表征的新的技術(shù)和設(shè)備，了解納米表征現(xiàn)在與未來的手段。了解使用STM、AFM進(jìn)行納米測量和納米操作的基本特點(diǎn)和技術(shù)。了解透射電鏡觀察法、X射線衍射線線寬法、拉曼散射法幾種方法對納米尺寸的評估原理及過程。教學(xué)方法：納米材料的表征方法與測量問題也是物理與材料類學(xué)科學(xué)生在以后的科研和生產(chǎn)實(shí)踐中最容易接觸到的問題，在教學(xué)的同時，通過參觀學(xué)校分析測試中心相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生對各種分析方法和設(shè)備加深理解，增強(qiáng)認(rèn)識。教學(xué)重點(diǎn)： 本章教學(xué)重點(diǎn)在透射電鏡觀察法和X射線衍射線線寬法，要通過實(shí)際講解讓學(xué)生對納米材料的表征與測量有更進(jìn)一步的理解與認(rèn)識。教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 透射電鏡觀察法第二節(jié) X射線衍射線線寬法（謝樂公式）第三節(jié) 比表面積法第四節(jié) 拉曼散射法第五節(jié) 光子相關(guān)譜法第六章 納米器件性能、制作方法及發(fā)展教學(xué)目的與要求：了解與納米器件相關(guān)的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的基本知識，對單電子晶體管、諧振隧穿器件、量子點(diǎn)激光器、量子磁盤、微型傳感器、納米結(jié)構(gòu)高效電容器陣列和高效再生鋰電池等納米器件的原理及應(yīng)用有初步的了解。了解低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制備檢測分析技術(shù)及電子結(jié)構(gòu)，固態(tài)量子器件的研究進(jìn)展。掌握納米電子器件集成特性和微系統(tǒng)與納系統(tǒng)技術(shù)概念。教學(xué)方法：主要讓學(xué)生理解納米尺度器件性能、制作方法及發(fā)展前景，在講課中要與當(dāng)代最新型納米電子器件結(jié)合起來，讓學(xué)生從理論模型和運(yùn)行機(jī)理上將納米電子器件結(jié)構(gòu)和特性理解問題。教學(xué)重點(diǎn)：本章教學(xué)重點(diǎn)是低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和量子器件及納米電子器件基礎(chǔ)理論章節(jié)部分，要讓學(xué)生在學(xué)過的常規(guī)器件知識的基礎(chǔ)上，從認(rèn)識高度理解為什么要過渡到低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的量子器件及納米電子器件時代，其原理是什么，怎么做，提高學(xué)生的感性認(rèn)識和認(rèn)知能力。教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 納米器件的類型與特性第二節(jié) 低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和量子器件第三節(jié) 納米電子器件基礎(chǔ)理論第四節(jié) 微系統(tǒng)與納系統(tǒng)技術(shù) 納米材料和器件實(shí)驗(yàn)部分教學(xué)大綱一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑷蝿?wù)以提高學(xué)生對納米材料特性的認(rèn)識和納米器件知識原理和器件制備、檢測及實(shí)驗(yàn)綜合創(chuàng)新素質(zhì)為主線，通過3個非獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，采用學(xué)生為主，教師為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科研實(shí)踐能力。通過本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，要求達(dá)到：1. 學(xué)習(xí)并掌握開展納米材料與器件研究實(shí)驗(yàn)的基本知識、基本方法和基本技能（包括實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和使用、測量的技術(shù)和方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等）。2. 通過實(shí)驗(yàn)觀察、測量和分析，加深學(xué)生對納米尺度材料、低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和量子器件基本概念、理論和相關(guān)技術(shù)工藝的理解。3. 養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，特別是嚴(yán)肅認(rèn)真對待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，杜絕弄虛作假，樹立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和學(xué)術(shù)道德。4. 通過設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、分析判斷能力、獨(dú)立思考能力、革新判斷能力、歸納總結(jié)能力等，提高進(jìn)行科學(xué)研究工作的綜合能力。二、實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求利用我院和分析測試中心的設(shè)備，讓學(xué)生做3個設(shè)計(jì)性好而研究性實(shí)驗(yàn)，并利用課余時間，自己查閱資料，從實(shí)驗(yàn)過程中遇到的材料的制備、表征、性能測試和結(jié)果出發(fā)，寫出自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和研究論文。加深學(xué)生對納米材料制備與表征技術(shù)的理解，提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。本過程將穿插在教學(xué)授課中間和最后進(jìn)行。三、主要采取的教學(xué)方法和教學(xué)形式通過讓學(xué)生做2個納米材料專題研究實(shí)驗(yàn)，讓每個學(xué)生從納米材料的制備到分析都自己動手，最后寫出一個研究性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解課程的基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)意義，也為今后畢業(yè)論文的工作的開展研究奠定基礎(chǔ)。四、教學(xué)內(nèi)容序號實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時實(shí)驗(yàn)類型每組人數(shù)實(shí)驗(yàn)要求1化學(xué)氣相沉積法制備ZnO納米線及顯微特性分析在教師的指導(dǎo)下，了解化學(xué)氣相沉積法制備半導(dǎo)體納米線的基本原理和過程，獨(dú)立完成ZnO納米線制備與表征實(shí)驗(yàn)，掌握常見半導(dǎo)體納米線的表征測試方法和儀器原理，寫出小論文。5研究設(shè)計(jì)型3必做2碳納米管的制備與提純在教師的指導(dǎo)下，利用CVD技術(shù)，獨(dú)立完成碳納米管的制備與提純實(shí)驗(yàn)，檢測分析后寫出小論文。5研究設(shè)計(jì)型3必做3SnO2納米線陣列的制備與氣敏特性研究在教師的指導(dǎo)下，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立完成SnO2納米線陣列的制備實(shí)驗(yàn)，將其組裝成基本器件，測試分析其對有機(jī)蒸汽的氣敏特性，并寫出小論文。4研究設(shè)計(jì)型3必做教學(xué)內(nèi)容說明：1. 在“化學(xué)氣相沉積法制備Si納米線及特性分析” 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，教師首先為學(xué)生提供中文研究文獻(xiàn)和相關(guān)參考資料，讓學(xué)生閱讀，教師再與學(xué)生互動討論，在學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?，教師指?dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生將課堂講授知識和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合起來，加深學(xué)生對第四章納米微粒的制備與表面修飾及第五章納米材料的表征與測量內(nèi)容的理解和認(rèn)識，提高學(xué)生動手實(shí)踐能力。2在“碳納米管的制備與提純” 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，教師首先為學(xué)生介紹碳納米管的特性和各種制備方法，并要求學(xué)生認(rèn)真閱讀有關(guān)中英文研究文獻(xiàn)和參考資料。通過該實(shí)驗(yàn)，要讓學(xué)生對納米材料的特性與分析方法有更進(jìn)一步的理解，同時，通過本實(shí)驗(yàn)過程，提高學(xué)生獨(dú)立開展材料學(xué)各類實(shí)驗(yàn)的能力。3“用ZnO納米線組裝絕緣柵場效應(yīng)晶體管及I-V特性研究”實(shí)驗(yàn)為綜合創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)。根據(jù)前兩個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，本實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、研究能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生3人一組，以自學(xué)為主，教師負(fù)責(zé)啟發(fā)、答疑、把關(guān)。通過研究制作最新的ZnO納米線組裝絕緣柵場效應(yīng)晶體管及I-V特性，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和科技論文寫作能力。五、實(shí)驗(yàn)部分教學(xué)大綱說明科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)理論產(chǎn)生的基礎(chǔ)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)科學(xué)理論的標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)理論是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的指南，科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段變革的重要作用。本實(shí)驗(yàn)部分大綱是為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)的納米材料與器件非獨(dú)立實(shí)驗(yàn)部分編寫的指導(dǎo)性文件，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在納米材料與器件講授的同時或之后進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解并掌握一般納米材料合成與制備的基本操作方法，培養(yǎng)實(shí)際動手能力，鞏固和加深理解所學(xué)的納米材料與器件相關(guān)的理論知識，學(xué)會簡單的納米電子學(xué)材料合成（制備）實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施方法的