納米材料和器件教學大綱.doc

納米材料和器件教學大綱第一部分：使用說明一、課程編號：10322007二、課程性質與特點：納米科技是21世紀非常重要的，將對人類的生存、學習和發(fā)展產生重要影響的科技領域，掌握納米科技與納米器件的相關知識已成為現(xiàn)代凝聚態(tài)物理、材料物理和化學、半導體技術、生物、微電子機械等學科的重要基礎。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，性能結構和表征檢測方法等內容，為將來學生在微電子領域開發(fā)研究打下理論和實踐基礎。三、在專業(yè)教學計劃中的地位和作用：本課程將介紹納米材料與器件的概念、分類、設計和表征，是半導體物理，半導體器件和微電子學課程等的重要補充，可為學生畢業(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。四、教學目的：通過該課程的學習，使學生掌握納米科學及技術的基本概念、理論及基本規(guī)律，并對納米材料與器件課程的基本內容有較系統(tǒng)的認識。通過該課程的學習，也可使學生了解到當前納米科學技術的發(fā)展趨勢以及與其它各學科的交叉滲透關系，特別是納米電子器件方面的相關知識。培養(yǎng)學生在介觀領域中分析問題、解決問題的能力。通過納米材料和器件整個教學學習過程，不斷提高學生素質，增強學生的創(chuàng)新意識，為今后的知識創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和產品創(chuàng)新打下必要的基礎，為培養(yǎng)高層次、綜合性、復合型人才提供保證。五、學時與學分：本課程總學時為48學時，3學分，其中上課學時34學時，實驗學時14學時，每周3學時。六、教學方法：以講授為主，授課重點應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、電子特性。強調納米電子學的新的物理現(xiàn)象和原理。利用我院和分析測試中心的設備，讓學生做4個實驗，使學生在了解納米科技相關技術的同時，自己動手從納米材料與器件的制備、表征、性能測試和結果進行實踐操作，最后寫出綜合性實驗研究報告，提高學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合。平時考核：作業(yè)和實驗成績占20%；綜合性實驗科技小論文成績占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，納米結構與納米材料，科學出版社，2002年11月。（二）參考書目 1 朱 靜主編，納米材料與器件，清華大學出版社，2005年11月。2 張志焜主編，納米技術與納米材料，國防工業(yè)出版社，2000年9月。 3 閻守勝主編，介觀物理學，北京大學出版社，2000年8月。 第二部分：課程內容第一章 納米科技發(fā)展綜述 教學目的與要求：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涵，納米科學的定義、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情況。掌握納米材料的分類、研究歷史和研究現(xiàn)狀，納米網絡資源的發(fā)展狀況，研究特點和研究內容。教學方法：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，通過實例形象講解，加深印象。教學重點： 在這章要讓學生掌握和理解納米科學技術被認為是21世紀非常要的、將對人類的生存和發(fā)展產生顯著影響的科技領域。材料性能的重大改進以及制造方式的重大變化，將在新世紀引起一場新的技術革命。納米科技具有多學科交叉性質，它的內容包括納米材料學、納米電子學、納米生物學、納米機械學、納米加工學、納米光子學、納米檢測與表征。納米材料與器件是這些分支學科的共同交點，是納米科技的核心和基礎。教學時數(shù)：6學時主要教學內容：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，我國納米科技發(fā)展狀況第四節(jié) 納米材料的分類、研究歷史和研究現(xiàn)狀，納米網絡資源的發(fā)展狀況第五節(jié) 納米材料的研究特點和研究內容第六節(jié) 納米科技可能對人類的危害和預防第二章 納米微粒的基本理論教學目的與要求：掌握久保理論、電子能級的統(tǒng)計學和熱力學基本概念和內容。掌握由于納米尺寸而產生的量子效應、量子干涉效應、派爾斯相變基本概念和內容。掌握由于納米尺寸而產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或更小時，晶體的周期性的邊界條件將被破壞而導致的物理規(guī)則的改變特點和內容。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電子的傳導行為、庫侖作用的影響、量子隧穿的基本特征相關知識內容。教學方法：本章內容是該課程的基礎，要在普通物理和近代物理學知識的基礎上讓學生理解納米尺度下微粒所遵循的物理基本理論，了解量子力學等概念在應用物理中的作用的發(fā)展前景。教學重點：本章的教學重點是讓學生領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、小尺寸效應、表面效應及庫侖堵塞與量子隧穿效應，要從機理上讓學生理解介觀尺度下這些新特性的應用價值和研究意義。教學時數(shù)：6學時主要教學內容：第一節(jié) 電子能級的不連續(xù)性第二節(jié) 量子尺寸效應第三節(jié) 小尺寸效應第四節(jié) 表面效應第五節(jié) 庫侖堵塞與量子隧穿第六節(jié) 介電限域效應第三章 納米微粒的結構與物理特性教學目的與要求：了解熟悉納米微粒的微觀結構、形貌特征。熟悉納米微粒的獨特的電學、熱學、磁學、光學性能，掌握物理性能與微觀結構的關系。教學方法：在教學的同時，讓學生作一個實驗，并測試該納米微粒的結構與物理性能，增加學生對納米尺度微粒的結構與物理性能基本性能和理論的理解。教學重點： 本章教學重點在納米微粒的物理性能的介紹和講解，要讓學生了解和領會納米微粒特殊的熱學、磁學、光學、表面活性及敏感特性、光催化等特性在實際應用技術中的開發(fā)前景，提高學生的學習興趣。教學時數(shù)：4學時主要教學內容：第一節(jié) 納米結構與形貌第二節(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目的與要求：了解機械粉碎法、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。了解氣相化學反應法、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修飾的原理與過程。教學方法：本章內容是物理與材料類學科學生在以后的科研和生產實踐中最容易接觸到的問題，在教學的同時，通過實驗室設備讓學生作一個實驗，了解和熟悉納米材料制備的物理方法。教學重點： 本章教學重點在氣相法制備納米微粒的一般原理和方法的講解，講課的同時讓學生通過實驗領會講課內容，培養(yǎng)動手解決實際問題的能力。教學時數(shù)：8學時主要教學內容：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目的與要求：了解納米表征的新的技術和設備，了解納米表征現(xiàn)在與未來的手段。了解使用STM、AFM進行納米測量和納米操作的基本特點和技術。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科學生在以后的科研和生產實踐中最容易接觸到的問題，在教學的同時，通過參觀學校分析測試中心相關實驗室，讓學生對各種分析方法和設備加深理解，增強認識。教學重點： 本章教學重點在透射電鏡觀察法和X射線衍射線線寬法，要通過實際講解讓學生對納米材料的表征與測量有更進一步的理解與認識。教學時數(shù)：4學時主要教學內容：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) 光子相關譜法第六章 納米器件性能、制作方法及發(fā)展教學目的與要求：了解與納米器件相關的有關納米結構的基本知識，對單電子晶體管、諧振隧穿器件、量子點激光器、量子磁盤、微型傳感器、納米結構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用有初步的了解。了解低維半導體結構的制備檢測分析技術及電子結構，固態(tài)量子器件的研究進展。掌握納米電子器件集成特性和微系統(tǒng)與納系統(tǒng)技術概念。教學方法：主要讓學生理解納米尺度器件性能、制作方法及發(fā)展前景，在講課中要與當代最新型納米電子器件結合起來，讓學生從理論模型和運行機理上將納米電子器件結構和特性理解問題。教學重點：本章教學重點是低維半導體結構和量子器件及納米電子器件基礎理論章節(jié)部分，要讓學生在學過的常規(guī)器件知識的基礎上，從認識高度理解為什么要過渡到低維半導體結構的量子器件及納米電子器件時代，其原理是什么，怎么做，提高學生的感性認識和認知能力。教學時數(shù)：6學時主要教學內容：第一節(jié) 納米器件的類型與特性第二節(jié) 低維半導體結構和量子器件第三節(jié) 納米電子器件基礎理論第四節(jié) 微系統(tǒng)與納系統(tǒng)技術 納米材料和器件實驗部分教學大綱一、實驗目的、任務以提高學生對納米材料特性的認識和納米器件知識原理和器件制備、檢測及實驗綜合創(chuàng)新素質為主線，通過3個非獨立實驗，采用學生為主，教師為輔的實驗教學方法，培養(yǎng)學生的科研實踐能力。通過本實驗課程的教學，要求達到：1. 學習并掌握開展納米材料與器件研究實驗的基本知識、基本方法和基本技能（包括實驗儀器的選擇和使用、測量的技術和方法、實驗數(shù)據的處理方法、實驗結果的分析和撰寫實驗報告等）。2. 通過實驗觀察、測量和分析，加深學生對納米尺度材料、低維半導體結構和量子器件基本概念、理論和相關技術工藝的理解。3. 養(yǎng)成良好的實驗習慣和嚴謹?shù)目茖W作風，特別是嚴肅認真對待實驗數(shù)據，杜絕弄虛作假，樹立實事求是的科學態(tài)度和學術道德。4. 通過設計性、綜合性實驗，培養(yǎng)學生的獨立工作能力、團隊合作能力、分析判斷能力、獨立思考能力、革新判斷能力、歸納總結能力等，提高進行科學研究工作的綜合能力。二、實驗的教學要求利用我院和分析測試中心的設備，讓學生做3個設計性好而研究性實驗，并利用課余時間，自己查閱資料，從實驗過程中遇到的材料的制備、表征、性能測試和結果出發(fā)，寫出自己的實驗報告和研究論文。加深學生對納米材料制備與表征技術的理解，提高學生動手能力和創(chuàng)新能力。本過程將穿插在教學授課中間和最后進行。三、主要采取的教學方法和教學形式通過讓學生做2個納米材料專題研究實驗，讓每個學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驗報告，可以讓學生進一步理解課程的基礎知識和學習意義，也為今后畢業(yè)論文的工作的開展研究奠定基礎。四、教學內容序號實驗名稱實驗內容及要求實驗學時實驗類型每組人數(shù)實驗要求1化學氣相沉積法制備ZnO納米線及顯微特性分析在教師的指導下，了解化學氣相沉積法制備半導體納米線的基本原理和過程，獨立完成ZnO納米線制備與表征實驗，掌握常見半導體納米線的表征測試方法和儀器原理，寫出小論文。5研究設計型3必做2碳納米管的制備與提純在教師的指導下，利用CVD技術，獨立完成碳納米管的制備與提純實驗，檢測分析后寫出小論文。5研究設計型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下，自己設計實驗方案，獨立完成SnO2納米線陣列的制備實驗，將其組裝成基本器件，測試分析其對有機蒸汽的氣敏特性，并寫出小論文。4研究設計型3必做教學內容說明：1. 在“化學氣相沉積法制備Si納米線及特性分析” 設計性實驗中，教師首先為學生提供中文研究文獻和相關參考資料，讓學生閱讀，教師再與學生互動討論，在學生理解實驗過程和實驗目的后，教師指導學生進行實驗。通過該實驗，讓學生將課堂講授知識和現(xiàn)場實驗操作結合起來，加深學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容的理解和認識，提高學生動手實踐能力。2在“碳納米管的制備與提純” 設計性實驗中，教師首先為學生介紹碳納米管的特性和各種制備方法，并要求學生認真閱讀有關中英文研究文獻和參考資料。通過該實驗，要讓學生對納米材料的特性與分析方法有更進一步的理解，同時，通過本實驗過程，提高學生獨立開展材料學各類實驗的能力。3“用ZnO納米線組裝絕緣柵場效應晶體管及I-V特性研究”實驗為綜合創(chuàng)新研究型實驗。根據前兩個實驗的實驗基礎，本實驗重在培養(yǎng)學生的自學能力、研究能力、創(chuàng)新能力和團隊合作精神。實驗中學生3人一組，以自學為主，教師負責啟發(fā)、答疑、把關。通過研究制作最新的ZnO納米線組裝絕緣柵場效應晶體管及I-V特性，開發(fā)學生的創(chuàng)新實踐能力和科技論文寫作能力。五、實驗部分教學大綱說明科學實驗是科學理論產生的基礎，科學實驗是檢驗科學理論的標準，科學理論是科學實驗的指南，科學實驗手段變革的重要作用。本實驗部分大綱是為電子科學與技術專業(yè)本科生開設的納米材料與器件非獨立實驗部分編寫的指導性文件，實驗項目在納米材料與器件講授的同時或之后進行。通過實驗，使學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)實際動手能力，鞏固和加深理解所學的納米材料與器件相關的理論知識，學會簡單的納米電子學材料合成（制備）實驗的設計和實施方法的