《納米材料》(教案大綱)

本科課程教學大綱課程名稱納米材料二〇二三課程教學大綱（編寫日期：2023年06月）一、課程基本信息納米材料Nanomaterials課程類別專必,專選課程編碼MSE304開課單位材料科學與工程學院學分2學時36授課年級大三、大四面向?qū)I(yè)/大類材料Materials課程負責人彭飛先修課程大學物理，固體物理，量子力學，工程數(shù)學是否為一年級大類基礎(chǔ)課程，且期末考核形式為“考試”否課程目標本課程是為進入專業(yè)學習階段的工科和理科本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，目的是增強學生對納米技術(shù)、納米結(jié)構(gòu)材料的基本原理、方法、研究特點、應(yīng)用及發(fā)展方向有較全面的了解，為學生將來進一步學習相關(guān)課程或從事相關(guān)研究打下良好的理論基礎(chǔ)。同時在方法學方面也有所了解和提高。本課程要求學生已具備物理、材料等方面的基本理論知識。課程基本要求：牢固掌握納米技術(shù)、納米結(jié)構(gòu)材料的基本概念、基本理論、基本研究方法和手段。掌握納米結(jié)構(gòu)材料和技術(shù)與宏觀材料之間的關(guān)系，掌握科學分析問題的方法。了解納米結(jié)構(gòu)材料和器件基本制備方法、結(jié)構(gòu)和性能分析、以及應(yīng)用原理。了解相關(guān)納米技術(shù)的最新動態(tài)和發(fā)展方向?？紤]到總學時數(shù)少（36學時），而納米結(jié)構(gòu)材料和技術(shù)涉及到幾乎所有的自然科學和工程技術(shù)學科，在實施教學時，建議注意教學內(nèi)容的合理組織，側(cè)重各種物理圖象的闡述，避開煩瑣的理論推導(dǎo)過程。同時通過激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，提出假想問題、設(shè)計實驗和制備方案，領(lǐng)會納米技術(shù)基本理論和研究方法。二、課程基本內(nèi)容（要求有一定的字數(shù)，不能過于簡單）（一）教學進度表章節(jié)次序及名稱(細化至節(jié)，必填)主要教學內(nèi)容(必填)所需學時(必填)育人元素重點、難點(選填)周次(選填)備注(選填)第一章緒論1.1自然界中的納米材料1.2納米材料及納米技術(shù)發(fā)展歷程1.3基本概念：納米材料、納米理論、納米技術(shù)等2介紹我國古代銅鏡中蘊含的納米材料元素，結(jié)合緒論中提到的各國納米材料科技進展，介紹我國科學家盧柯院士和江雷院士在納米金屬材料及界面納米材料方面的突出貢獻。納米材料概念第1周第二章：納米結(jié)構(gòu)基本單元及理論2.1基本納米結(jié)構(gòu)單元2.2納米材料分類2.3基本理論納米效應(yīng)產(chǎn)生的基本原理及與尺寸的關(guān)系2.3.1量子尺寸效應(yīng)2.3.2小尺寸效應(yīng)2.3.3表面效應(yīng)2.3.4量子隧道效應(yīng)2.3.5庫侖堵塞效應(yīng)2.3.6介電限域效應(yīng)2結(jié)合基本結(jié)構(gòu)單元中一維、二維納米材料的介紹，提到我國在芯片納米器件方面遇到的卡脖子難題，鼓勵大家努力學習，以科學技術(shù)服務(wù)國家社會。納米材料量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)第2周第三章：納米結(jié)構(gòu)典型效應(yīng)3.1納米材料物理特性3.1.1熱學（熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度、比熱、膨脹系數(shù)）3.1.2光學（寬頻帶強吸收、藍紅移、發(fā)光、納米分散系光學特性）3.1.3電學（導(dǎo)電性、介電性）3.1.4磁學（超順磁、矯頑力、居里溫度、磁化率、飽和磁化強度、巨磁電阻效應(yīng)）3.1.5力學（彈性模量、硬度、超塑性）3.1納米結(jié)構(gòu)物理特性熱學特性（熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度等）光學特性（寬頻帶強吸收、藍紅移等）電學特性（電導(dǎo)量子化、介電性），磁學特性（超順磁、矯頑力、居里溫度等），力學特性（彈性模量、硬度、超塑性）3.2納米結(jié)構(gòu)化學特性2介紹具有低熔點納米材料在冶煉技術(shù)及國產(chǎn)芯片制造上的應(yīng)用。納米材料熱學、光學、磁學特性第3周第三章：納米結(jié)構(gòu)典型效應(yīng)3.1納米結(jié)構(gòu)物理特性熱學特性（熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度等）光學特性（寬頻帶強吸收、藍紅移等）電學特性（電導(dǎo)量子化、介電性），磁學特性（超順磁、矯頑力、居里溫度等），力學特性（彈性模量、硬度、超塑性）3.2納米結(jié)構(gòu)化學特性2介紹納米材料由于量子尺寸效應(yīng)在波吸收方面的應(yīng)用及其在國產(chǎn)隱形飛機等國防上的應(yīng)用。納米材料熱學、光學、磁學特性第4周第三章：納米結(jié)構(gòu)典型效應(yīng)3.1納米結(jié)構(gòu)物理特性熱學特性（熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度等）光學特性（寬頻帶強吸收、藍紅移等）電學特性（電導(dǎo)量子化、介電性），磁學特性（超順磁、矯頑力、居里溫度等），力學特性（彈性模量、硬度、超塑性）3.2納米結(jié)構(gòu)化學特性2介紹具有優(yōu)良力學性能的納米材料在大國重器等高精尖設(shè)備中的應(yīng)用。納米材料熱學、光學、磁學特性第5周第四章：納米材料合成與制備4.1自上而下、自下而上制備方法納米結(jié)構(gòu)的氣相合成（PVD、CVD等），納米結(jié)構(gòu)的液相合成方法（沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法、模板法等），納米結(jié)構(gòu)的固相高能球磨機械加工等4.2自組裝方法4.3仿生納米結(jié)構(gòu)及制備2介紹國產(chǎn)手機中涉及的PVD工藝。納米結(jié)構(gòu)的氣相合成法第6周第四章：納米材料合成與制備4.1自上而下、自下而上制備方法納米結(jié)構(gòu)的氣相合成（PVD、CVD等），納米結(jié)構(gòu)的液相合成方法（沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法、模板法等），納米結(jié)構(gòu)的固相高能球磨機械加工等4.2自組裝方法4.3仿生納米結(jié)構(gòu)及制備2結(jié)合CVD方法的講授，介紹我國自主研發(fā)的第一臺CVD設(shè)備，科學家自主研發(fā)突破了歐美對國內(nèi)技術(shù)的封鎖。納米結(jié)構(gòu)的氣相合成法第7周第五章：納米材料的結(jié)構(gòu)分析方法簡介5.1結(jié)構(gòu)分析（電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡等直接觀測方法與衍射技術(shù)、其它磁、電、光、波譜等間接測試方法5.2成分分析(微區(qū)電子能譜及離子質(zhì)譜等)5.3性能分析（原位力學、電學性能測試等）2介紹我國在自主研發(fā)原位電鏡技術(shù)上的進展。納米材料結(jié)構(gòu)分析的電鏡技術(shù)第8周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之一6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹國產(chǎn)的納米醫(yī)用制劑。催化納米材料第9周期中復(fù)習上半學期內(nèi)容復(fù)習0無第10周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之二6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹我國自主研發(fā)的超順磁納米粒在醫(yī)學診斷等方面的應(yīng)用。催化納米材料第11周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之三6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹納米陶瓷及其在大國重器上的應(yīng)用催化納米材料第12周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之四6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2闡明納米推進劑對于我國火箭比沖的重要性。介紹我國航空航天事業(yè)中，突出的納米材料應(yīng)用。催化納米材料第13周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之五6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹催化型納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用，并且強調(diào)綠水青山就是金山銀山的意義。催化納米材料第14周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之六6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。第15周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之七6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹王中林院士等中國科學家在壓電納米材料上的前驅(qū)工作。第16周第六章：納米結(jié)構(gòu)和技術(shù)的幾種典型應(yīng)用之八6.1，生物醫(yī)用納米材料（6學時）藥物遞送納米材料，診斷納米材料，治療納米材料6.2，催化納米材料（4學時）貴金屬/過渡金屬氧化物納米粒催化劑，納米膜催化劑6.3，能量轉(zhuǎn)化納米材料（6學時）光電納米材料，壓電納米材料，熱電納米材料2介紹納米材料在國防上的應(yīng)用第17周第七章：納米結(jié)構(gòu)器件和系統(tǒng)7.1納米器件的制備組裝光刻技術(shù)，刻蝕，自組裝7.2納米器件的典型應(yīng)用2介紹國家在納米生物芯片、納米電子芯片上的最新進展，鼓勵大家系統(tǒng)應(yīng)用納米材料知識，面向國家社會需求，提升自我。光刻技術(shù)第18周期末習題課對全課程的重難點習題進行系統(tǒng)講解2無第19周合計:36（二）教學環(huán)節(jié)安排（對各種教學環(huán)節(jié)的安排如：實驗、實習、習題課、作業(yè)等以及本課程與其他相關(guān)課程的聯(lián)系、分工等作必要說明，教學環(huán)節(jié)的安排體現(xiàn)高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）課程包括以下教學和訓(xùn)練環(huán)節(jié)：①基礎(chǔ)知識與理論課；②課外作業(yè)；③每次課外作業(yè)完成后進行習題批改情況分析總結(jié)；④答疑與討論。（三）教學方法（包括課堂講授、提問研討，課后習題和答疑等情況，要增加團隊學習、小組大作業(yè)、實驗課和理論課的結(jié)合、使用信息技術(shù)方法、由教師和知識為中心轉(zhuǎn)化為以學生和學習為中心）課堂講解與課堂練習、課堂討論先結(jié)合的方式。同時通過課外作業(yè)和輔導(dǎo)增強學生的認識和熟練應(yīng)用方法的能力。（四）課程教材（主講教材盡量使用“馬工程”和國家規(guī)