《薄膜技术与纳米材料》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Thin film technology and nanomaterials 课程代码 PHYS2043 课程性质专业选修课程 授课对象 物理学专业 学分3学分 学时 36学时 主讲教师 倪卫海 修订日期 2021年9月 指定教材张耀军等，《纳米材料基础》，化学工业出版社，2015年，第二版 二、课程目标 (一)总体目标： 纳米材料学科总近年来利兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态 物理、化学、材料、电子等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。 该课程是与材料科学相关的 门专业提高课程。课程的任务是通过课堂教学使学生了解、学 握纳米材料的基本概念、纳米材料的制各方法、纳米材料结构和性能的关系，以及纳米复合 材料的研究进展。通过本课程的学习，培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合发展， 使学生了解纳米材料研究的最新成果和发展趋势，开拓科技视野，提高科研素质和能力，为 知识创新和技术创新奠定基础。 (二)课程目标： 课程目标1：通过介绍基本概念和学科发展简史，使学生了解纳米尺度、纳米材料和纳 米科技的内涵，了解纳米材料的基本特点和纳米科学研究的内容，以及纳米材料学科与其它 学科的关系，最后了解研究纳米材料对生产力的重要性。 课程目标2：以介绍宏观材料的物理描述为基础，对比学习纳米尺度上发生的变化，让 学生建立起纳米尺度的物理概念和图像，从而让学生掌握量子尺寸效应、表面效应、小尺寸 效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿等基本物理概念。 课程目标3：以介绍宏观材料的电学、光学、力学、热学、磁学、化学性质为基础，对 比学习纳米材料的性质，使学生掌握一些描述纳米材料性质的基本理论，了解纳米材料相对 应宏观材料性质变化的产生根源。 课程目标4：通过系统地介绍纳米结构单元的两种制备方法，即自上而下和自下而上的 方法比较两种方法的优劣性，并介绍将两种方法结合的新方法。使学生对制备纳米材料的策 掌握几种代表性方法的基 本原理 平价各种方法的优
《薄膜技术与纳米材料》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Thin film technology and nanomaterials 课程代码 PHYS2043 课程性质 专业选修课程 授课对象 物理学专业 学 分 3 学分 学 时 36 学时 主讲教师 倪卫海 修订日期 2021 年 9 月 指定教材 张耀军等，《纳米材料基础》，化学工业出版社，2015 年，第二版. 二、课程目标 （一）总体目标： 纳米材料学科是近年来刚刚兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态 物理、化学、材料、电子等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。 该课程是与材料科学相关的一门专业提高课程。课程的任务是通过课堂教学使学生了解、掌 握纳米材料的基本概念、纳米材料的制备方法、纳米材料结构和性能的关系，以及纳米复合 材料的研究进展。通过本课程的学习，培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合发展， 使学生了解纳米材料研究的最新成果和发展趋势，开拓科技视野，提高科研素质和能力，为 知识创新和技术创新奠定基础。 （二）课程目标： 课程目标 1：通过介绍基本概念和学科发展简史，使学生了解纳米尺度、纳米材料和纳 米科技的内涵，了解纳米材料的基本特点和纳米科学研究的内容，以及纳米材料学科与其它 学科的关系，最后了解研究纳米材料对生产力的重要性。 课程目标 2：以介绍宏观材料的物理描述为基础，对比学习纳米尺度上发生的变化，让 学生建立起纳米尺度的物理概念和图像，从而让学生掌握量子尺寸效应、表面效应、小尺寸 效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿等基本物理概念。 课程目标 3：以介绍宏观材料的电学、光学、力学、热学、磁学、化学性质为基础，对 比学习纳米材料的性质，使学生掌握一些描述纳米材料性质的基本理论，了解纳米材料相对 应宏观材料性质变化的产生根源。 课程目标 4：通过系统地介绍纳米结构单元的两种制备方法，即自上而下和自下而上的 方法比较两种方法的优劣性，并介绍将两种方法结合的新方法。使学生对制备纳米材料的策 略和方法有基本的了解，掌握几种代表性方法的基本原理，并能够比较和评价各种方法的优 缺点，能够对方法加以选择和区分。为学生未来成为该领域研究和技术人员奠定基础
课程目标5：通过学习三种利用不同相互作用成像的显微表征方法，即光学显微、扫描 探针显微和电子束显微技术。使学生掌提光学显微镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜、 扫描和透射电子显微镜的原理】 了解相关的设备情况，使得学生能够比较和评价各种表征 方法的优缺点， 能够对表征方法加以选择和区分其应用范围。为学生未来成为该领域研究 和技术人员奠定基础。 (三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 掌纳米尺度和纳米材料的基本橱 念：了解自然界的纳米材料：了解 课程目标1第一章绪论 人工纳米材料和纳米科技的研究对 象及发展简中：了解纳米科持发国 的前景。 掌握导体，绝缘体，半导体能带结 具有 构的基本概念：掌握量子限域效 课程目标2第二章纳米效应 的久保理论，久保理论的讨论和结 学习 论：掌握表面效应的原理：了解宏 和专 观量子隧道效应的概念。 罗 展 了解单品，多品，非品的概念 识， 握Hall-Petch方程描述的物理规 了解律，硬度极限：掌握熔点和粒径之 纳米 间的关系：掌握磁性的产生机制， 技术 课程目标3第三章纳米材料性质 前沿 存储的极限。 回线描述的物理 以及 过程：掌握弹道输运，量子隧穿 国内 库伦阻塞效应：掌握光的吸收和发 外相 射的物理过程，光催化的机理，光 关发 散射和丁达尔效应：了解催化剂在 展动 化学反应中的作用，纳米催化 能。 了解自上而下和自下而上的概念和 内容，两种方法的优劣性：堂握物 理气相沉积的原理和设备 掌握化 课程目标4第四章制备方法 学气相沉积的原理和设备：掌握化 学液相合成方法及其机理：掌握自 组装机理；掌握物理粉碎法、光刻 法和其他图形化技术。了解自上而
课程目标5：通过学习三种利用不同相互作用成像的显微表征方法，即光学显微、扫描 探针显微和电子束显微技术。使学生掌握光学显微镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜、 扫描和透射电子显微镜的原理，了解相关的设备情况，使得学生能够比较和评价各种表征 方法的优缺点，能够对表征方法加以选择和区分其应用范围。为学生未来成为该领域研究 和技术人员奠定基础。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求 课程目标 1 第一章 绪论 具有 终身 学习 和专 业发 展意 识， 了解 纳米 技术 前沿 以及 国内 外相 关发 展动 态。 掌握纳米尺度和纳米材料的基本概 念；了解自然界的纳米材料；了解 人工纳米材料和纳米科技的研究对 象及发展简史；了解纳米科技发展 的前景。 课程目标 2 第二章 纳米效应 掌握导体，绝缘体，半导体能带结 构的基本概念；掌握量子限域效应 的久保理论，久保理论的讨论和结 论；掌握表面效应的原理；了解宏 观量子隧道效应的概念。 课程目标 3 第三章 纳米材料性质 了解单晶，多晶，非晶的概念，掌 握 Hall-Petch 方程描述的物理规 律，硬度极限；掌握熔点和粒径之 间的关系；掌握磁性的产生机制， 顺磁，铁磁，超顺磁，磁畴，磁盘 存储的极限，磁滞回线描述的物理 过程；掌握弹道输运，量子隧穿， 库伦阻塞效应；掌握光的吸收和发 射的物理过程，光催化的机理，光 散射和丁达尔效应；了解催化剂在 化学反应中的作用，纳米催化剂的 效能。 课程目标 4 第四章 制备方法 了解自上而下和自下而上的概念和 内容，两种方法的优劣性；掌握物 理气相沉积的原理和设备；掌握化 学气相沉积的原理和设备；掌握化 学液相合成方法及其机理；掌握自 组装机理；掌握物理粉碎法、光刻 法和其他图形化技术。了解自上而
下和自下而上相结合的制备方法， 了解显微的三要素：了解电子与物 质相互作用机理了解：掌握光学成 像的原理及不同的成像方式：掌握 电子扫描显微镜发展过程和原理： 了解电子光学系统发展过程、电子 课程目标5第五章表征方法 透射显微镜原理和电子衍射成像 了解像差的概念和产生原理 掌握扫描探针显微镜的发展过程和 原理和工作模式：掌握激光扫描共 聚焦显微技术：了解几种不同显微 技术的优缺点。 三、教学内容 第一章绪论 1教学目标 掌握纳米尺度和纳米材料的基本概念：了解自然界的纳米材料：了解人工纳米材料和 纳米科技的研究对象及发展简史：了解纳米科技发展的前景。 2.教学重难点 纳米尺度和纳米材料，纳米材料按维度分类，纳米科技的发展前景 3.教学内容 3.1纳米世界概述 纳米的由来 32纳米材料的定义 纳米材料定义，空间尺度划分 33纳米材料的分类 按维度分类，自然界的纳米材料，人工纳米材料，纳米科技的起泻 3.4纳米科学和技术 纳米科技的定义 3.5工业革命的驱动 费曼的设想，计算机微型化和信息存储 3.6目前技术的基础性缺陷 3.7分子电子学
下和自下而上相结合的制备方法。 课程目标 5 第五章 表征方法 了解显微的三要素；了解电子与物 质相互作用机理了解；掌握光学成 像的原理及不同的成像方式；掌握 电子扫描显微镜发展过程和原理； 了解电子光学系统发展过程、电子 透射显微镜原理和电子衍射成像原 理；了解像差的概念和产生原理； 掌握扫描探针显微镜的发展过程和 原理和工作模式；掌握激光扫描共 聚焦显微技术；了解几种不同显微 技术的优缺点。 三、教学内容 第一章 绪论 1.教学目标 掌握纳米尺度和纳米材料的基本概念；了解自然界的纳米材料；了解人工纳米材料和 纳米科技的研究对象及发展简史；了解纳米科技发展的前景。 2.教学重难点 纳米尺度和纳米材料，纳米材料按维度分类，纳米科技的发展前景。 3.教学内容 3.1 纳米世界概述 纳米的由来 3.2 纳米材料的定义 纳米材料定义，空间尺度划分 3.3 纳米材料的分类 按维度分类，自然界的纳米材料，人工纳米材料，纳米科技的起源 3.4 纳米科学和技术 纳米科技的定义 3.5 工业革命的驱动 费曼的设想，计算机微型化和信息存储 3.6 目前技术的基础性缺陷 3.7 分子电子学
3.8未来的技术挑战 3.9纳米材料的应用 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5教学评价 课后思考题、作业习题， 第二章纳米效应 1.教学目标 掌握导体，绝缘体，半导体能带结构的基本概念：掌握量子限域效应的久保理论，久 保理论的讨论和结论： 掌握表面效应的原理： 了解宏观量子隧道效应的概念 2.教学重难点 能带结构：久保理论；表面效应、宏观量子隧道效应。 3.教学内容 3.1小尺寸效应 颗粒尺寸与物理特征尺寸的比较 3.2量子限域效应 导体，半导体，绝缘体能带结构，久保公式的推导，久保公式的讨论，温度的影响 应 3.3表面效应 表面原子数占比随粒径的变化 3.4宏观量子隧道效应 弹道输运，量子隧穿，共振隧穿，非弹性隧穿 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后思考题、作业习题。 第三章纳米材料性质 1教学目标 了解单晶，多晶，非晶的概念，掌握Hal-Petch方程描述的物理规律，硬度极限举 握熔点和粒径之间的关系：掌握磁性的产生机制，顺磁，铁磁，超顺磁，磁畴，磁盘存储 的极限，磁滞回线描述的物理过程：掌握弹道输运，量子隧穿，库伦阻塞效应：掌握光的
3.8 未来的技术挑战 3.9 纳米材料的应用 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后思考题、作业习题。 第二章 纳米效应 1.教学目标 掌握导体，绝缘体，半导体能带结构的基本概念；掌握量子限域效应的久保理论，久 保理论的讨论和结论；掌握表面效应的原理；了解宏观量子隧道效应的概念。 2.教学重难点 能带结构；久保理论；表面效应、宏观量子隧道效应。 3.教学内容 3.1 小尺寸效应 颗粒尺寸与物理特征尺寸的比较 3.2 量子限域效应 导体，半导体，绝缘体能带结构，久保公式的推导，久保公式的讨论，温度的影响， 应用 3.3 表面效应 表面原子数占比随粒径的变化 3.4 宏观量子隧道效应 弹道输运，量子隧穿，共振隧穿，非弹性隧穿 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后思考题、作业习题。 第三章 纳米材料性质 1.教学目标 了解单晶，多晶，非晶的概念，掌握 Hall-Petch 方程描述的物理规律，硬度极限；掌 握熔点和粒径之间的关系；掌握磁性的产生机制，顺磁，铁磁，超顺磁，磁畴，磁盘存储 的极限，磁滞回线描述的物理过程；掌握弹道输运，量子隧穿，库伦阻塞效应；掌握光的
吸收和发射的物理过程，光催化的机理，光散射和丁达尔效应：了解催化剂在化学反应中 的作用，纳米催化剂的效能。 2.教学重难点 硬度极限，超顺磁，磁滞回线，磁盘存储机制，弹道输运，库伦阻塞，发射和吸收。 敢射，丁达尔效应 3.教学内容 3.1力学性质 应力和应变，单晶，多品，非晶，品界，Ha-Petch方程，硬度极限 3.2热学性质 熔点和粒径的关系，比热和粒径的关系 3.3磁学性质 磁性，顺磁，铁磁，磁滞回线，磁畴，超顺磁，硬盘存储 3.4电学性质 隧道二极管，隧道场效应管，库伦阻塞效应的推导，单电子品体管 3.5光学性质 材料的吸收和发光，粒径和光谱的关系，光催化过程，光散射，丁达尔效应 3.6化学性质 催化剂，纳米催化 4教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后思考题、作业习题。 第四章制备方法 1教学目标 了解自上而下和自下而上的概念和内容，两种方法的优劣性：掌握物理气相沉积的原 理和设备：掌握化学气相沉积的原理和设备：掌握化学液相合成方法及其机理：掌握自组 装机理：掌握物理粉碎法、光刻法和其他图形化技术。了解自上而下和白下而上相结合的 制备方法。 2.教学重难点 自上而下，自下而上的策略：物理气相沉积，化学气相沉积，自组装，光刻 3.教学内容
吸收和发射的物理过程，光催化的机理，光散射和丁达尔效应；了解催化剂在化学反应中 的作用，纳米催化剂的效能。 2.教学重难点 硬度极限，超顺磁，磁滞回线，磁盘存储机制，弹道输运，库伦阻塞，发射和吸收， 散射，丁达尔效应 3.教学内容 3.1 力学性质 应力和应变，单晶，多晶，非晶，晶界，Hall-Petch 方程，硬度极限 3.2 热学性质 熔点和粒径的关系，比热和粒径的关系 3.3 磁学性质 磁性，顺磁，铁磁，磁滞回线，磁畴，超顺磁，硬盘存储 3.4 电学性质 隧道二极管，隧道场效应管，库伦阻塞效应的推导，单电子晶体管 3.5 光学性质 材料的吸收和发光，粒径和光谱的关系，光催化过程，光散射，丁达尔效应 3.6 化学性质 催化剂，纳米催化 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后思考题、作业习题。 第四章 制备方法 1.教学目标 了解自上而下和自下而上的概念和内容，两种方法的优劣性；掌握物理气相沉积的原 理和设备；掌握化学气相沉积的原理和设备；掌握化学液相合成方法及其机理；掌握自组 装机理；掌握物理粉碎法、光刻法和其他图形化技术。了解自上而下和自下而上相结合的 制备方法。 2.教学重难点 自上而下，自下而上的策略；物理气相沉积，化学气相沉积，自组装，光刻 3.教学内容