表面科學(xué)與薄膜技術(shù) 教學(xué)大綱

第頁表面科學(xué)與薄膜技術(shù)一、課程說明課程編號：060110Z10課程名稱(中/英文)：表面科學(xué)與薄膜技術(shù)/SurfaceScienceandThinSolidFilms課程類別：學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)時/學(xué)分：32/2先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生建議教材及參考書：（1）唐偉忠，薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用，冶金工業(yè)出版社，2003（2）M.Ohring,TheMaterialsScienceofThinFilms,(AcademicPress,Inc.,Boston,2002).（3）劉敏、等，薄膜與涂層現(xiàn)代表面技術(shù)，XX大學(xué)出版社，2008.（4）孫大明、席光廉，固體表面與界面，安徽出版社，1996.二、課程設(shè)置的目的、意義薄膜材料及其制備技術(shù)是飛速高科技產(chǎn)品的重要支撐。我國在功能薄膜上的研究水平和研發(fā)能力，正逐步進入了國際主流方向，國家已將功能薄膜產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、中式和產(chǎn)業(yè)化項目集成于膜科技專項之中，薄膜產(chǎn)業(yè)正成為我國新的經(jīng)濟增長點。因此，十分必要在以大材料專業(yè)設(shè)置相關(guān)課程系統(tǒng)介紹薄膜材料有關(guān)的基礎(chǔ)理論、原理和制備技術(shù)。本課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。旨在通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生熟悉通曉固體薄膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域、制備原理以及常用技術(shù)，以及各種功能薄膜材料研究、開發(fā)、生產(chǎn)的全部領(lǐng)域。擴展學(xué)生的專業(yè)知識。三、課程目標(biāo)3.1課程對畢業(yè)生能力支撐本課程對應(yīng)畢業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)2-④、3-②、4-②、5-①、6-②、10-①。具體內(nèi)容如下：畢業(yè)要求2-④：掌握分析研究材料生產(chǎn)復(fù)雜工程問題所需的專業(yè)理論知識。能夠運用所學(xué)專業(yè)理論知識分析材料組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的相互關(guān)系與制約規(guī)律，識別材料生產(chǎn)過程不同階段的關(guān)鍵。畢業(yè)要求3-②：掌握材料設(shè)計與生產(chǎn)所需的專業(yè)理論知識。通過系統(tǒng)掌握本專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)理論，能夠清晰地描述出一個設(shè)計任務(wù)需求，并能夠識別該任務(wù)所面臨的各種制約條件，能從多種備選材料生產(chǎn)制備方案和系統(tǒng)里面進行優(yōu)選。畢業(yè)要求4-②：能夠根據(jù)所學(xué)的專業(yè)知識對實驗結(jié)果做出科學(xué)的解釋，并能夠?qū)嶒灲Y(jié)果中的問題設(shè)計合理的解決方案。畢業(yè)要求5-①：系統(tǒng)地掌握材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)理論，掌握相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)理論和現(xiàn)代分析方法在材料制備技術(shù)中的應(yīng)用知識與應(yīng)用技巧；系統(tǒng)地掌握材料工程領(lǐng)域主要制備技術(shù)，深入了解新材料與材料加工新技術(shù)的發(fā)展方向。畢業(yè)要求6-②：能正確認(rèn)知材料科學(xué)與工程中新材料與先進加工方法對社會進步的重大促進作用，了解材料科學(xué)與工程對社會對國防的重要意義。畢業(yè)要求10-①：對本專業(yè)領(lǐng)域及其相關(guān)行業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀有了解，能夠?qū)Ρ緦I(yè)熱點問題發(fā)表自己的見解。3.2課程教學(xué)目標(biāo)面對功能薄膜材料日新月異的發(fā)展，本課程的教學(xué)目標(biāo)是，在“強調(diào)共性、強化基礎(chǔ)”的原則下通過教學(xué)使學(xué)生達到以下6點要求：1）了解、熟悉各種功能薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的特點、應(yīng)用領(lǐng)域；2）掌握二維晶體學(xué)的基本知識，其中主要包括：表面的物理本質(zhì)、理想表面、表面重構(gòu)、清潔表面、實際表面等；3）掌握表面熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識，包括：表面自由能的物理本質(zhì)、一種晶體表面自由能的計算方法、晶體生長維象理論；4）熟悉并掌握固體功能薄膜材料制備的原理和技術(shù)，特別是化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積（蒸鍍、磁控濺射、離子鍍），以及復(fù)雜的鍍膜技術(shù)，如各種等離子增強化學(xué)氣相沉積等；5）了解固體薄膜成分、結(jié)構(gòu)、性能的測試技術(shù)；6）能熟練閱讀功能薄膜材料的英文學(xué)術(shù)文獻。四、教學(xué)內(nèi)容、重點難點及教學(xué)設(shè)計本課程分3大知識模塊：【模塊1】表面物理、表面熱力學(xué)與晶體生長唯象理論；【模塊2】氣相沉積沉積技術(shù)，其中包括：化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）以及各種組合技術(shù)，如等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVDE）；【模塊3】表面分析技術(shù)，主要包括俄歇電子能譜（AES）、掃描探針顯微術(shù)（STM）。具體教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)設(shè)計見下表：章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時學(xué)時分配教學(xué)重點教學(xué)難點教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實踐3232緒論表面科學(xué)與工程的基本概念及應(yīng)用領(lǐng)域2課堂教學(xué)，PPT電子課件第1章表面物理基礎(chǔ)1.1固體表面的物理本質(zhì)，理想表面（二維點群，二維空間群，二維Bravais點陣），清潔表面，實際表面2二維點群，二維空間群，二維Bravais點陣固體表面形成過程中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換課堂教學(xué)，PPT電子課件1.2表面重構(gòu)，表面馳豫，實際表面的TLK模型2表面重構(gòu)表面重構(gòu)課堂教學(xué)，PPT電子課件1.3表面的能量狀態(tài)的描述；表面自由能；表面自由能的方向性2表面自由能表面能態(tài)的理解及其表達的復(fù)雜性課堂教學(xué)，PPT電子課件1.4表面自由能的計算方法2立方系晶體的表面自由能的各向異性的數(shù)學(xué)表達式的獲得晶體表面自由能的各向異性課堂教學(xué)，PPT電子課件1.5彎曲表面與零維納米材料尺度與性質(zhì)關(guān)系的熱力學(xué)表達形式Clapeyron關(guān)系式的應(yīng)用課堂討論第2章晶體生長的唯象理論2.1晶體的平衡形狀，Gibbs定律；Wulff定理2能量最低原理及晶體平衡形狀的定義Gibbs定律與Wulff定理的一致性課堂教學(xué)，PPT電子課件2.2晶體的生長形狀及幾何熱力學(xué)；Wells參數(shù)2Wells參數(shù)的推導(dǎo)過程所包含的物理意義Wells參數(shù)的物理化學(xué)理解課堂教學(xué)，PPT電子課件第3章氣相沉積技術(shù)課堂教學(xué)，PPT電子課件3.1真空技術(shù)基礎(chǔ)：真空原理，真空設(shè)備2壓強單位的統(tǒng)一性；真空設(shè)備組成；壓力計、流量計氣體分子運動速率；氣體分子入射速率課堂教學(xué)，PPT電子課件3.2物理氣相沉積(PVD)1：真空蒸鍍

蒸鍍設(shè)備，蒸發(fā)原理，蒸發(fā)熱力學(xué)，合金的蒸發(fā)，膜厚均勻性；2固體物質(zhì)蒸發(fā)原理蒸發(fā)鍍膜的膜厚均勻性課堂教學(xué)，PPT電子課件3.3物理氣相沉積(PVD)2：.濺射沉積原理。輝光放電，低溫等離子體，濺射沉積工藝：二極濺射、三極濺射、四級濺射2各種濺射鍍膜技術(shù)及應(yīng)用低溫等離子體放電現(xiàn)象課堂教學(xué)，PPT電子課件3.4物理氣相沉積(PVD)3：磁控濺射；濺射沉積技術(shù)：直流濺射、射頻濺射、中頻濺射；反應(yīng)濺射2各種濺射鍍膜技術(shù)及應(yīng)用Lorentz現(xiàn)象在PVD中的應(yīng)用課堂教學(xué)，PPT電子課件3.5化學(xué)氣相沉積(CVD)

CVD的種類：低溫CVD、高溫CVD，熱壁CVD、冷壁CVD；CVD中的化學(xué)反應(yīng)：熱分解反應(yīng)，氧化反應(yīng)，還原反應(yīng)，歧化反應(yīng)，可逆反應(yīng)，MOCVD2各種化學(xué)氣相沉積技術(shù)及應(yīng)用歧化反應(yīng)在CVD中應(yīng)用課堂教學(xué)，PPT電子課件3.7CVD熱力學(xué)；氣體傳輸；熱力學(xué)理論在CVD中的指導(dǎo)作用熱力學(xué)理論在CVD中的指導(dǎo)作用課堂教學(xué)，PPT電子課件3.6【舉例】CVD金剛石2實驗室現(xiàn)場教學(xué)，PPT電子課件3.8等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）2各種PECVD技術(shù)應(yīng)用CVD與PVD耦合原理課堂教學(xué)，PPT電子課件第4章表面分析技術(shù)概論課堂教學(xué)，PPT電子課件4.1表面分析技術(shù)簡介

1）俄歇電子能譜(AES)；2）低能電子衍射(LEED)2俄歇電子能譜(AES)、低能電子衍射(LEED)的原理、技術(shù)及應(yīng)用二維倒易點陣課堂教學(xué)，PPT電子課件4.23）掃描探針顯微技術(shù)：量子隧道原理，STM的原理、設(shè)備及應(yīng)用，AFM的原理、設(shè)備及應(yīng)用。2掃描隧道電鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)的原理、技術(shù)及應(yīng)用量子遂通原理課堂教學(xué)，PPT電子課件五、實踐教學(xué)內(nèi)容和基本要求實踐教學(xué)內(nèi)容：1）現(xiàn)場教學(xué)。在課程學(xué)習(xí)期間組織學(xué)生在材料科學(xué)性與工程學(xué)院“功能薄膜與表面技術(shù)研究室”進行現(xiàn)場教學(xué)，使學(xué)生熟悉薄膜材料生產(chǎn)工藝，增強學(xué)生對材料工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和水平的認(rèn)識；2）實驗研究。隨著課程的深入，根據(jù)學(xué)生的興趣，組織少量學(xué)生加入教師