《納米材料與器件》課程教學(xué)大綱

《納米材料與器件》課程教學(xué)大綱課程代碼：ABCL0530課程中文名稱:納米材料與器件課程英文名稱：Nano-materialsanddevices課程性質(zhì)：選修課程學(xué)分?jǐn)?shù)：1.5課程學(xué)時(shí)數(shù)：24授課對(duì)象：新能源材料與器件本課程的前導(dǎo)課程：無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料表面與界面一、課程簡(jiǎn)介《納米材料與器件》是新能源材料與器件專業(yè)方向選修課。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)。納米科技是21世紀(jì)非常重要的，將對(duì)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(shí)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)?！都{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(cè)方法等內(nèi)容，為將來(lái)學(xué)生在新能源領(lǐng)域開(kāi)發(fā)研究打下理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。通過(guò)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(duì)納米材料與器件課程的基本內(nèi)容有較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)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(shì)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(shí)。培養(yǎng)學(xué)生在介觀領(lǐng)域中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。通過(guò)納米材料和器件整個(gè)教學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程，不斷提高學(xué)生素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為今后的知識(shí)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。二、教學(xué)基本內(nèi)容和要求第一章納米科技發(fā)展綜述課程教學(xué)內(nèi)容：納米科技概念，納米科技的重要意義和納米科技的研究領(lǐng)域，納米科技的世界競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)與我國(guó)納米科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)，我國(guó)納米科技發(fā)展?fàn)顩r，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，納米材料的研究特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容，納米科技可能對(duì)人類的危害和預(yù)防。課程的重點(diǎn)、難點(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(duì)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(chǎng)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(cè)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)。課程教學(xué)要求：了解納米科技的提出與發(fā)展，基本概念和研究對(duì)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(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)與我國(guó)納米科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)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?jī)?nèi)容。第二章納米微粒的基本理論課程教學(xué)內(nèi)容：電子能級(jí)的不連續(xù)性，量子尺寸效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，庫(kù)侖堵塞與量子隧穿，介電限域效應(yīng)。課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)：本章的教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)納米尺度下為什么材料會(huì)出現(xiàn)電子能級(jí)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(kù)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。課程教學(xué)要求：掌握久保理論、電子能級(jí)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(zhǎng)，德希羅意波長(zhǎng)及相干長(zhǎng)度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，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(shí)，了解和掌握納米尺寸內(nèi)電子的傳導(dǎo)行為、庫(kù)侖作用的影響、量子隧穿的基本特征相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。第三章納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理特性課程教學(xué)內(nèi)容：納米結(jié)構(gòu)與形貌，納米微粒的物理性能。課程的重點(diǎn)、難點(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(huì)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(kāi)發(fā)前景，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程教學(xué)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。第四章納米微粒的制備與表面修飾課程教學(xué)內(nèi)容：氣相法制備納米微粒，液相法制備納米微粒，納米微粒的表面修飾。課程的重點(diǎn)、難點(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(shí)讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)會(huì)講課內(nèi)容，培養(yǎng)動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題的能力。課程教學(xué)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(guò)程。第五章納米材料的表征與測(cè)量課程教學(xué)內(nèi)容：透射電鏡觀察法，X射線衍射線線寬法（謝樂(lè)公式），比表面積法，拉曼散射法，光子相關(guān)譜法。課程的重點(diǎn)、難點(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(guò)實(shí)際講解讓學(xué)生對(duì)納米材料的表征與測(cè)量有更進(jìn)一步的理解與認(rèn)識(shí)。課程教學(xué)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(lái)的手段。了解使用STM、AFM進(jìn)行納米測(cè)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(duì)納米尺寸的評(píng)估原理及過(guò)程。第六章納米器件性能、制作方法及發(fā)展課程教學(xué)內(nèi)容：納米器件的類型與特性，低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和量子器件，納米電子器件基礎(chǔ)理論，微系統(tǒng)與納系統(tǒng)技術(shù)。課程的重點(diǎn)、難點(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(guò)的常規(guī)器件知識(shí)的基礎(chǔ)上，從認(rèn)識(shí)高度理解為什么要過(guò)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(shí)代，其原理是什么，怎么做，提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和認(rèn)知能力。課程教學(xué)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(shí)，對(duì)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(cè)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。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及基本要求無(wú)四、教學(xué)方法與手段課堂授課為主，采用多媒體教學(xué)。五、教學(xué)學(xué)時(shí)分配章節(jié)講課習(xí)題課實(shí)驗(yàn)其它合計(jì)第一章納米科技發(fā)展綜述40004第二章納米微粒的基本理論40004第三章納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理特性40004第四章納米微粒的制備與表面修飾40004第五章納米材料的表征與測(cè)量40004第六章納米器件性能、制作方法及發(fā)展40004合計(jì)2400024六、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)1、考核方法考查課程。平時(shí)考核與期末大論文相結(jié)合。2、成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)考核：出勤和課堂表現(xiàn)各占20%。期末考試：課程論文，成績(jī)占60%。七、教學(xué)參考資