半導體與量子力學的關系范文

導語：如何才能寫好一篇半導體與量子力學的關系，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞 半導體物理學 課程探索

中圖分類號：G642.421 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2016）02-0001-01

信息技術的基礎是微電子技術，隨著半導體和集成電路的迅猛發展，微電子技術已經滲透到電子信息學科的各個領域，電子、通信、控制等諸多學科都融合了微電子科學的基礎知識。《半導體物理學》是微電子技術的理論基礎，是電子科學與技術、微電子學等專業重要的專業基礎課，其教學質量直接關系到后續課程的學習效果以及學生未來的就業和發展。但是，《半導體物理學》具有理論性強、教學模式單一、教學內容更新慢等特點，使得學生在學習過程中存在一定的難度。因此，本文從課堂教學實踐出發，針對目前教學過程中存在的問題與不足，對微電子專業的《半導體物理學》課程進行探索。

一、教學內容的設置

重慶郵電大學采用的教材為電子工業出版社劉恩科主編的《半導體物理學》，該教材具有知識體系完善、涉及知識點多、理論推導復雜、學科交叉性強等特點，需要學生有扎實的固體物理、量子力學、統計物理以及數學物理方法等多門前置學科的基礎知識。另外，我們開設的學生對象為微電子相近專業的學生，因而在課程內容設置時有必要考慮學生知識水平及其知識結構等問題。雖然微電子學相近專業開設了大學物理等課程，但是大部分專業未開設量子力學、固體物理及熱力學統計物理等前置課程，學生缺少相應的背景知識。因此，我們在《半導體物理學》課程內容設置上，需要將部分量子力學、固體物理學及統計物理學等相關知識融合貫穿在教學中，避免學生在認識上產生跳躍。

從內容上，依據課程大綱《半導體物理學》主要分為兩大部分，前半部分著重介紹半導體的電子狀態及對應的能帶結構，電子有效質量、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布，半導體的導電性與非平衡載流子，在此基礎上進一步闡述了費米能級、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；后半部分對典型的半導體元器件及其性能進行了深入分析。基于以上分析，半導體物理課程對授課教師要求較高，需要教師采用多樣化的教學手段，優化整合教學內容，注重理論推導與結論同相關電子元器件的實際相結合，使學生較好地理解并掌握相關知識。

二、教學方法與教學手段

為了讓學生能較好地掌握《半導體物理學》中涉及的理論及模型，需要采用多樣化的教學方法和手段。基于《半導體物理學》課程的特點，在傳統黑板板書基礎上，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件，實物模型等多種信息化教學手段，模擬微觀過程，使教學信息具體化，邏輯思維形象化，增強教學的直觀性和主動性，從而達到提高課堂教學質量的目的。

三、考核方式的改革

為了客觀地評價教學效果和教學質量，改革考核方式是十分必要的。針對《半導體物理學》課程特點，對考核方式作如下嘗試：（1）在授課過程中，針對課程的某些重點知識點，設計幾個小題目，進行課堂討論，從而增強學生上課積極性及獨立思考能力；（2）學期末提交針對課程總結的課程論文，使學生在對課程有更深入了解的同時激發學生的創造積極性。

《半導體物理學》是微電子技術專業重要的專業基礎課，為后續專業課程的學習打下理論基礎。要實現《半導體物理學》這門課的全面深入的改革，還有待與同仁一道共同努力。

參考文獻：

[1]湯乃云.微電子專業“半導體物理”教學改革的探索[J].中國電力教育，2012，（13）.

篇2

多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計算機列為高科技產品了。

但巨高性能計算機仍是信息時代的高科技標志物件之一。2012年諾貝爾物理學獎發給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛·維恩蘭德，這兩位科學家的研究成果為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺?！薄?“美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

其實，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃?！边€有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息?！薄昵暗奶扑沃袊涓呖萍茧m是世界第一，但信息技術還是跟現在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農1948年就劃時代地把信息引為數學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術語也出現了?？勺钤缬懻摂祿⑿畔?、知識與智慧之間關系的，卻是得過諾貝爾文學獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識在哪里？

我們迷失于數據中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數據中？

量子計算機和量子信息技術，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數據的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計算機

量子理論是現代物理學的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎?？陀^世界有物質、能量兩種存在形式，物質和能量可以互相轉換（見愛因斯坦的質能方程），量子理論就是從研究極度微觀領域物質的能量入手而建立起來的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現象和規則。經典物理學理論中的能量是連續變化的，可取任意值，但科學家們發現微觀世界中的很多物理現象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質的構成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質波”概念，即一切物質粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學，薛定諤建立了量子波動力學，量子理論進入了量子力學階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學轉換，對量子力學理論進行了系統的總結，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結合起來，使量子理論進入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數量的某事物”。現代物理學中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質）是“可量子化的”，或者說其物理量的數值會是特定的數值而非任意值。例如，在（休息狀態）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和一般問題。

雖然量子理論與我們日常經驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經在真實世界應用。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量?，F代社會要處理大量數據和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發現半導體同時有導體和絕緣體的性質，后來才有了用于電子計算機的同時作為電子信號放大器和轉換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個尖端芯片可集聚數十億個微處理器。

隨著計算機科技的發展，發現能耗導致發熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學的計算設備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學的信息處理”。1980年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發現模擬量子現象時，數據量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統實現通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。1994年，數學家彼得·秀爾提出量子質因子分解算法，因其可破解現行銀行和網絡應用中的加密，許多人開始研究實際的量子計算機。

在物理上，傳統的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內部半導體集成邏輯電路來實現，其輸入態和輸出態都是傳統信號（輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態），存儲數據的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態，用量子算法運算數據，輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因為量子態有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數（00、01、10、11），實現量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種傳統計算，所有傳統計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結果），從而呈指數級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數據。用量子力學語言說，傳統計算機是沒有用到量子力學中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數，比人類已知宇宙中的全部原子數還多。而且，集成芯片制造業很快將步入16納米的工藝，而量子效應將嚴重影響芯片的設計和生產，又因傳統技術的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關控制，電子開關由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經典。而量子理論認為，單個原子的狀態其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現為一種概率；對應到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態。

宏觀態的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數種概率的宏觀統計結果。微觀粒子通常表現為兩種截然不同的狀態糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態，只要稍一揭開箱蓋，疊加態立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態變成宏觀的確定態。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質便會消失?？茖W家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發明了在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎的部分——得到1個量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構成物質。他們研究光與物質間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數據。維因蘭德向碗中發射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數據。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現實，因為可操控單個量子，就能按意愿調控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛星定位和計算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態”、“電子的32個量子態”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時就很可能是另外一種結局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解等數學原理，例如目前網絡上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計算的并行性，能輕松破解以大數因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現有密碼體系。可說量子這種技術在現代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術也將發展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關鍵。量子密碼采用量子態作為密鑰，是不可復制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據海森堡的測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關系，似有“心靈感應”，無論距離多遠，一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也發生變化，速度遠遠超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發生機理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態，從而留下痕跡。

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[關鍵詞]結構化學；教學改革；互動教學

結構化學課程是我國高等學校化學專業的必修課程，內容涉及量子化學，分子對稱性，配位化學和晶體學基礎等部分。該課程內容抽象，知識系統龐雜，數理推導較多，學習曲線陡峭，不少學生因此存在著畏難情緒。然而正如詩詞所言，無限風光在險峰，學好這門課程不僅有助于理解其它化學課程的內容，也是為進一步在本專業深造打下堅實的基礎。[1]在當前深化本科教育教學改革的背景下，如何將結構化學課程上好，真正做到讓老師強起來，學生忙起來，效果實起來，筆者在此對授課以來的問題和解決方法進行總結。

1重視數理，夯實基礎

結構化學課程的一大難點在于數學推導較多，譬如量子化學部分完全使用數學語言描述核心知識，而對于化學專業的同學，數學一直是軟肋，于是極容易產生厭學和畏難情緒。[2-4]針對這個問題，很多老師采取的解決方法是淡化數學推導，重點介紹推導后的結論和意義，但我們在授課過程中，發現這樣的授課方式效果欠佳，因為基礎不牢，課程的學習只能是空中樓閣、風中沙塔，很多同學在課程結束后還是無法對物理圖像有一個正確的認識和把握。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，筆者認為與其淡化數學，不如嚴格要求，把數學學到位。偉大的思想家恩格斯說過：“任何一門科學的真正完善在于數學工具的廣泛應用。”正是因為數學和物理的引入，才讓化學擺脫了煉金術的桎梏而成為一門科學。因此我們在授課時自始至終強調數學的重要性，在涉及數學內容較多的章節，提前講授將要用到的數學工具并布置作業，每章節結束后將重要的公式和結論進行串講并配合習題進行強化訓練，要求所以學生每學完一個章節就做思維導圖及時總結復習，將重要公式進行總結歸納制作公式索引表格。盡管提升了學習的難度，但學生對于推導的結果和物理意義理解的更加準確和深入，記憶也更加牢固，鍛煉了學生的邏輯思維和嚴謹認真的科學態度。

2理清主線，合理增負

結構化學課程內容主要涉及量子化學基礎，分子對稱性，配位化學以及晶體學基礎。盡管這四個部分知識彼此之間較為獨立，但所表達的核心思想是一致的，即結構決定性質，性質也反映著結構。目前授課內容主要存在問題是：量子化學部分各章節之間主線不夠明確；配位化學部分和專業無機化學課程內容有重疊；晶體學基礎部分，結構相關的內容介紹較多而相關的性質介紹較少。針對這些問題，我們對課程的授課內容進行了合理的補充和刪減。首先，對于量子化學部分，我們在授課一開始給出課程的故事主線，即量子力學的誕生背景，量子力學基本假設，簡單模型的量子力學處理方法，氫原子薛定諤方程的求解過程及解的物理意義，以及針對于多電子原子和多原子分子的近似方法。這條主線清晰明確，在每一章節開始時，我們對之前的內容進行簡要回顧，幫助學生理清了各章節的邏輯關系，在學期末復習課時對每一個知識點進行展開復習，進行鞏固。配位化學部分，對于和無機化學有重疊的部分，我們通過翻轉課堂的方式簡要復習，同時突出結構化學的重點，即分子軌道理論在配位化學的應用，著重介紹了配體群軌道這個新概念，以及不同配位幾何構型下配體群軌道和中心原子如何依據對稱性進行線性組合的方式，同時介紹了金屬配合物作為均相催化劑催化反應的常見機理。在此基礎上，我們還將科研中的一些問題引入課堂討論，如金屬氮賓體和金屬氧化物的電子結構，讓學生通過知識解決實際科研問題，真正做到科研反哺教學。晶體學部分除了介紹基本知識以外，補充介紹了能帶理論，態密度等概念，并介紹了導體，半導體，絕緣體在電子結構上的差異，這些基礎知識有利于化學專業的同學在材料化學方向進行科研工作打下基礎。盡管課程在深度和廣度上都有所增加，但不少同學都表示感受到了挑戰性學習所帶來獲得感和高階樂趣。

3反客為主，多元考核

傳統理論課授課方式，采用幻燈片講述授課，學生被動填鴨式學習，效果較差，也不利于學生培養綜合能力。針對這些問題，我們開始嘗試翻轉課堂教學方法來提高學生參與性，重點培養學生的學習能力，表達能力，獨立思考，發現問題，解決問題的能力，這些都是未來創新型人才所具有的重要特質。翻轉課堂的內容主要涉及三個方面，一個是結構化學課程中難度較低的幾個章節，如雙原子分子電子結構，分子對稱性，配位化學基礎知識等章節，各章節的總結復習以及研究性課題，教師提供慕課資源，書籍資料和分子建模軟件，讓所有學生統一準備，課堂上抽簽進行講解，在授課過程中，要求其他小組必須提問，教師在課程結束時對各小組所準備的課件進行補充點評，我們也將翻轉課堂教學納入了考核評價，提高了課程總結筆記，課堂提問，翻轉課堂課件等分數項的比例。翻轉課堂授課方式有效的活躍了課堂氣氛，提高了課堂參與度，也增強了學生的學習能力和思辨精神。

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關鍵詞：graphene, 石墨烯， 單原子石墨膜， 新型材料

中圖分類號：N04；O47；H059 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578(2012)01-0036-05

Novel Material―Graphene

QIAN Jiajun

Abstract：Graphene is a two-dimensional material, merely one atom thick sheet of carbon arranged laterally in a honeycomb lattice. Its π-valence band and π*-conduction band touch at two in-equivalent points in the honeycomb lattice Brillouin zone. In graphene, charge carriers exhibit giant intrinsic mobility and can travel ballistically over submicrons without scattering at room temperature. It is the thinnest electronic material and can be used to enable transistors operating at very high frequencies. This review analyzes trends in graphene research and applications, and attempts to identify future directions.

Keywords：graphene，novel material，one-atom thick sheet of carbon

引 言

2010年10月，瑞典皇家科學院宣布，將該年度諾貝爾物理學獎項，授予在英國曼徹斯特大學任教的兩位俄羅斯裔科學家：安德列•吉姆（Andre Geim 荷蘭籍，時年51歲)和康斯坦丁•諾沃塞洛夫（Konstatin Novoselov 英國籍，時年36歲)，以獎勵他們在新穎材料graphene方面杰出的先驅性實驗物理研究。這種新型材料，實際上是透明的，比金剛石還硬，是世界上最薄和最硬的電子材料，具有超強的導電性能和導熱性能，可承受電流密度比銅高六個數量級，有可能用于制備透明觸摸屏、平板閱讀器、太陽能電池、復合材料、貯氫材料以及運算速度極快的超級計算機等。盡管這種材料出現的時間很短，卻顯現出極其豐富的物理現象和潛在的應用前景。

然而，在有關這種新型材料的報道中，一些文獻與媒體將graphene一詞譯作“石墨烯”。雖然，按化學名詞的慣例，將英文詞根graphite(石墨) + ene (烯類化合物的結尾)，從字面上直譯為“石墨烯”是符合一般化學譯名法的，但筆者認為，如此譯法不準確，容易引起混淆，值得商榷。

正如前面已經指出的，graphene 來源于英文graphite，因此中文譯名中保留“石墨”這個詞根是恰當的，問題是出在后面的“烯”字上。按照《新華詞典》的解釋［1］，“烯”是分子中含有碳-碳雙鍵的烴類化合物的總稱；而“烴”則是由碳和氫兩種元素組成的有機化合物。這就是說，“烯”包含幾個要素，其一是它必須是碳氫化合物；其二是它必須含有碳-碳雙鍵；第三，它的分子結構是鏈狀。再來看新材料graphene, 其中既沒有氫元素，也不包含碳-碳雙鍵，而且分子結構是按單鍵蜂房結構密集排列的，因此，把它譯成“石墨烯”，會使人誤認為是某種碳氫化合物，引起概念上的混淆。

實際上，在兩位諾獎得主的原始文獻［2-3］中，對graphene的定義很明確，就是按蜂房結構密集排列的單原子層碳薄膜，如圖1a所示。換言之，graphene實際就是二維單原子層石墨薄膜。把這層石墨膜包圍起來，可以構成一個零維的富勒球分子（圖1b）；把單層（或多層）卷起來，則形成一維的碳納米管（圖1c）; 而把它們按三維堆積在一起，就構成了通常的體石墨（圖1d）。所以，graphene材料實際就是各種碳基材料的最基本的組成原料。

由此看來，將graphene材料直譯作“石墨烯”，雖然符合化學名詞譯法的慣例，但此種譯法容易出現混淆。不如采取意譯的方式，除保留“石墨”這個詞根外，再加上“單原子層”的含義――即“單原子石墨膜”（簡稱石墨膜）為妥。本文將采用這一譯名，對這種材料的能帶結構、性能、可能的應用前景以及主要的制備方法做一簡單介紹，以供參考。

一 單原子石墨膜能帶結構及性質

單原子石墨膜（以下簡稱石墨膜），是碳原子在二維平面上按蜂房（苯環）結構密集排列的一層單原子碳薄膜。每個碳原子最外層4個電子，占據1個2s軌道和3個2p軌道。當碳原子彼此靠近形成單原子層碳晶格時，2s軌道與分子平面內的2個2p軌道重疊（sp2雜化），形成 σ-σ* 強共價鍵。此鍵十分堅固，把碳原子緊密地連接在一起，形成二維平面內的蜂房結構。此鍵對碳晶格的電導沒有貢獻。碳原子外層電子中剩下一個未成對的2p軌道，其方向垂直于分子平面，在形成碳晶格過程中，雜化形成π鍵（價帶）和π*（導帶）。導帶與價帶，在蜂房結構晶格布里淵區頂角的兩個不等價點K和K’（稱之為“狄拉克點”）相互接觸。低能量能帶結構，近似為K和K’點上的兩個對頂角園錐（圖2）。在狄拉克點附近，載流子能量色散關系是線性的，電子的動力學是按“相對論”處理。導帶與價帶的電子態具有相反的手征性（chirality）。當多數電子具有相同的手征性時，其相互作用能量降低。這點，與鐵磁物質中大多數粒子具有相同自旋時，其相互作用能量降低類似。

由于石墨膜這種特殊的能帶結構，使其載流子具有非常獨特的物理性質。通常，在凝聚態物理中，采用薛定諤方程就足夠描述材料體系的電學性質。例如，在典型的半導材料中，電子與空穴（荷正電載流子）分別占據導帶和價帶。導帶和價帶之間存在一個有限能量的帶隙。載流子獲得超過帶隙的能量后，才能從價帶躍遷到導帶。電子與空穴的運動，符合一般粒子的運動規律：它們具有質量，當它們被加速時，其速度從零開始增加，而且它們的動能正比于其速度的平方。然而在石墨膜中，電子與空穴的行為完全不同于常規粒子運動規律：這里的電子與空穴具有一個恒定的速度VF (費米速度)，它不依賴于粒子運動的動能, 這一點類似于光子的行為，即光子總是以恒定光速c（約3×1010cm/s）運行。而在石墨膜中，電子與空穴的速度要比光速慢，大約是光速的1/300，即費米速度VF≈1×108cm/s。電子與空穴的運動規律不能再用薛定諤方程描述，而是要采用（2+1）維的狄拉克方程精確描述。這類準粒子稱為無質量狄拉克-費米子。在形式上可以把它們看作是失去了靜止質量（m0）的電子，或者是獲得了電子電荷（e）的中微子。因此，實驗研究石墨膜材料的電學性質，可以為從理論上探索量子電動力學（quantum electrodynamic, QED）現象開辟出一條實驗研究的路徑，這在基礎科學研究中具有重要意義。

此外，石墨膜的特殊電子態結構，也極大地影響其中的量子輸運現象。眾所周知，當電子被限制在二維半導體材料中時，能夠觀察到量子力學增強輸運現象，例如量子霍爾效應（quantum hall effect，QHE）：即在垂直于霍爾樣品平面的磁場作用下，霍爾電導率（σxy）與載流子濃度（n）之間出現一系列等間距的導電率“平臺”。與這些平臺相對應，霍爾樣品縱向的電阻率（ρxx），降低到近似為零的極小值。這個現象被稱之為“量子霍爾效應”［4］。然而，對于通常的二維半導體系統，這些電導率平臺與縱向電阻率極小值，是出現在傳導量子（e2/h）（其中e為電子電荷，h為普朗克常數）為整數值（或分數值）的位置。對于石墨膜而言，這些平臺和電阻率極小值是出現在傳導量子為半整數值的位置上［3］（圖3）。不僅如此，對于通常的二維半導體材料，只能在極低的溫度下（例如液氦溫度），才能觀察到量子霍爾效應。但對于石墨膜，甚至在室溫下，還能觀察到這個現象［5］。這是因為在石墨膜中，載流子的行為如同一個無質量的相對論粒子（狄拉克-費米子），而且，即使在室溫下，它們與聲子的散射速率也是極低的緣故。

在石墨膜中，實驗測量出的電子與空穴遷移率，在室溫下均能超過1.5×104cm2/Vs( 4K下約為6×104cm2/Vs)。如此高的遷移率表明，載流子的運動主要是受雜質或缺陷的影響。因此，改善石墨膜晶格質量，預期遷移率或許可以達到 1.0×105cm2/Vs。雖然在所有半導體材料中，銻化銦(InSb)半導體材料具有最高的室溫遷移率（7.7×104cm2/Vs），但該值是從未摻雜的高純材料獲得。一般來講，其載流子濃度是非常低的。然而，在石墨膜中，即使在較高的載流子濃度下（n>1012/cm2），其遷移率（μ）仍然很高。換算成粒子的平均自由程長度在亞微米范圍（約0.4μm）。也就是說，一個荷電載流子，大約要運行通過2800個原子間距之后才能被散射一次。這說明，在亞微米范圍內，載流子實際上是彈道運行的。這種特性在高速高頻碳基電子器件的實際應用中具有十分重要的意義。

二 單原子石墨膜的應用

石墨膜中載流子顯示出極高的遷移率，其值不僅較硅（Si）大約100倍，比目前認為最高速材料――晶格匹配的磷化銦（InP）也高出大約10倍。因此特別適合于制備射頻場效應晶體管（RF-FET）。研究者在一個2英寸的半絕緣高純碳化硅（6H-SiC (0001)） 襯底的硅面上［6］，采用高溫（1450℃）熱退火方法，生長出石墨膜（單層或雙層）材料。以氧化鉿（HfO2）作為柵介質，制備成場效應器件，在2英寸的片子上，霍爾遷移率在900～1520cm2／Vs范圍。載流子濃度約為3×1012/cm2,場效應晶體管的截止頻率（f T）在射頻（RF）范圍。對于柵長240nm, fT高達100GHz。而同樣柵長（240nm）的硅基金屬氧化物――半導體場效應晶體管（MOSFET），其fT 約為40GHz ，僅為石墨膜器件的2/5。在超高頻模擬晶體管器件方面，目前主要以砷化鎵（GaAs）基器件為主，稱之為高電子遷移率晶體管（HEMT）,應用在通訊技術領域。盡管采用石墨膜制備的高電子遷移率晶體管，其工作頻率還不如砷化鎵基器件，但從石墨膜所顯示的室溫彈道輸運特性推測，對于典型的100nm溝道而言，載流子在源和漏極之間渡越時間僅需0.1 ps。如果石墨膜器件，在制備過程中仍能保持高的遷移率，例如達到2×104cm2/Vs, 在柵長為50 nm 時，場效應晶體管的截止頻率（fT）有望達到太拉赫茲［7］，這將成為石墨基納米電子學的重要里程碑。

在光電子器件應用方面，通常的無機化合物半導體材料，如砷化鎵、氮化鎵（GaN）等，比有機光電子材料有許多優越之處：高的載流子遷移率，高的輻射復合速率以及長期工作的穩定性和可靠性等等，使這些無機化合物半導體材料，十分適合于制備光電子器件，如光發射二極管（light-emitting diode, LED）等。然而，在大面積、可彎曲甚至可折疊的屏幕顯示，或者大面積、低成本的太陽電池等應用中，上述無機半導體材料的應用，受到很大的限制。一方面由于這些材料是外延生長在晶體（如硅、藍寶石、碳化硅等）襯底上，成本高而且尺寸不可能太大。另一方面，由于外延材料與晶體襯底之間結合得十分緊密，高的機械與化學穩定性，導致很難把外延層從襯底上剝離下來，極大地妨礙了其大規模應用。石墨膜材料的出現，或許能為解決這些難題提供了一種可能的選擇途徑。正如前面提到的，石墨膜在同一層碳原子之間，彼此是由強共價鍵結合在一起，十分牢固；而在層與層之間，是靠很弱的范德華分子鍵結合，使層與層之間容易分離開。利用石墨膜的這種性質，研究者［8］以它作為襯底，先在其上生長出高密度氧化鋅（ZnO）納米柱，作為中間介質層，再在其上外延生長出高質量的氮化鎵。這種氮化物薄膜顯示出極佳的室溫下與激子相關的近帶邊光致發光（PL）峰，和十分微弱的深能級發射，表明氮化鎵薄膜具有極高的光學質量，完全適合于制備光電子器件。不僅如此，利用石墨膜層與層之間易于剝離的特性，能將生長在其上的氮化鎵外延層剝離下來，并轉移到其他襯底上，例如金屬、玻璃和塑料上。采用這些襯底制備的氮化鎵光發射二極管，都能發出很強的藍光，在整個300×300μm2的面積上發光均勻。在通常的室內照明條件下，用肉眼清晰可見［8］。當泵浦功率進一步增加后，引起受激發射，實驗測定的閾值泵浦功率約為0.6 MW/cm2。與生長在藍寶石、硅以及碳化硅襯底上的氮化鎵器件，閾值在0.56~0.70MW/cm2值類似。此外，對于大功率光發射二極管器件而言，采用金屬襯底不僅有極佳的導電性，而且還可提供良好的熱傳導性，有利于器件散熱和提高功率。采用玻璃或塑料做襯底，則可將無機半導體材料氮化鎵制成大面積、柔軟可延展的全彩色光發射二極管顯示屏幕，以及光伏器件的功能組件，有利于電子與光電子器件集成。

在氣體分子探測方面，目前多采用固體傳感器，其靈敏度較高。但在通常的固體傳感器中，由于電荷有缺陷的熱運動漲落，往往使器件的本征噪聲要遠超過探測器從單個氣體分子收集到的信號，一般會高出幾個數量級。而采用石墨膜材料制作傳感器［9］，由于它是二維材料，整個表面積都暴露在被測環境中，吸附效率最大化；另外這種材料具有超強的導電性，當吸附或脫附一個氣體分子時，會引起載流子濃度的顯著變化，對應于器件電阻值呈臺階式改變，靈敏度極高，甚至達到可探測單個氣體分子的水平。此外，石墨膜材料，對外部的電場，磁場以及機械應力等也十分靈敏，有望在這些實用領域內開發出新型電子器件。

三 單原子石墨膜的制備

目前，制備石墨膜的方法，主要分為兩類：機械剝離法（mechanical exfoliation）［1］ 和外延生長法 （epitaxial growth）［10-12］ 。2004年，兩位諾獎得主就是采用第一類方法，首先制備出單原子石墨膜材料的。通常，采用這類方法制備的材料，尺寸較小，在數十微米范圍，需要把材料轉移到覆蓋二氧化硅（SiO2）介質膜的硅襯底上，以便制成霍爾樣品，進行電學性質測量。應當指出，采用這種方法制備出的單原子石墨膜樣品，測量的電學性質與理論上預期的結果十分一致，大大促進了有關這種新型材料的理論研究與應用開發。第二類方法是，在一定的襯底表面上外延生長出大面積石墨膜材料。這類方法的優點是，可以生長出滿足器件工藝要求的大面積材料，可為批量制備碳基納米器件提供支撐。當前，這類技術有兩個發展方向：一是在金屬表面（例如鎳（Ni）［10］, 銅（Cu）［11］, 鉑（Pt）［12］ 等）上，化學氣相淀積生長大面積石墨膜材料；二是采用寬禁帶半導體材料碳化硅的溫度感生分解法（temperature-induced decomposition ）制備［13］。第二種方法是在高溫（例如 1450℃）下，使碳化硅表面的硅升華，在襯底表面上形成富碳的單原子石墨膜。由于碳化硅本身可以是絕緣的，因此無需再將單原子石墨膜外延層轉移到其他絕緣襯底上，無疑在器件工藝方面是一項十分重要的優點。單原子石墨膜應用技術的關鍵要素是：控制厚度的均勻性，生長大面積薄膜的能力，降低缺陷密度以及提高材料的質量。

四 小 結

單原子石墨膜材料，是碳原子以σ-σ* 強共價鍵互相連接的二維六角形網絡。具有優異的載流子輸運特性，其電子的費米速度約為108cm/Vs［14］ ?？捎糜谥苽湫阅軆炗趥鹘y半導體材料，如硅、鍺，以及Ш-V族化合物半導體的新一代碳基納米電子器件與量子集成電路，在基礎學科與實際應用兩方面都有重要意義。

參 考 文 獻

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［12］Gao M, Pan Y, Huang L, et al. Applied Physics Letters［J］. 2011, 98: 033101.

篇5

關鍵詞：半導體器件；物理；教學改革

半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術等專業的重要專業基礎課程，也是應用型本科院校培養新興光電產業所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質和器件應用的橋梁學科，在新興產業應用技術人才的知識結構中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學中產生的問題及原因分析

1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低

以某大學光電行業方向工科專業近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數最多，以60分為原點，其高分和低分兩側的人數呈現出逐漸降低的正態分布。從表1中還可以看出，成績低分人數逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對問題分析原因

導致表1結果的原因有以下三方面：

（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結構存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現得參差不齊。

對于一般工科專業的學生（包括面向新興光電產業的工科專業）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內容也僅涉及經典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規律，而近代物理中的實物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結構上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。

另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。

（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中

半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質和應用為基本內容，內容編排上從理想本征半導體的性質和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質部分的有效質量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結部分的平衡PN結、非平衡PN結、PN結的能帶和工作原理；不同專業在PN結的設計和控制這部分會根據所設專業選取不同的章節進行學習，面向光電行業的本科專業則通常選取半導體的光學性質和發光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環環相套，步步遞進，因此理解難度較大。

（3）學習態度不端正的現象普遍存在

近幾年，在社會大環境的影響下，學習態度不端正現象在本科各專業學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經常發生，作業抄襲現象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人?！痹谡n時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。

二、改進方法的探討

針對教學過程中發現的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。

1.教學方法的改革

半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉型發展時期，圍繞應用型人才培養目標，按照“專業設置與產業需求相對接、課程內容與職業標準相對接、教學過程與生產過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現在以下六個方面：

（1）轉變教學觀念

改變傳統向學生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業相關的基礎知識和關鍵應用技術為導向，確定該課程在整個專業課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學內容

為構建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業標準及其發展的熱點問題，并積極實現“產學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內容。

第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結構不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構建完整的知識框架，降低認知落差。

第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質、半導體PN結的工作原理、常見半導體結構的工作原理和半導體的光電及發光現象和應用。

第三層次為課內開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結合專業方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結構、工作原理及制作的工藝流程以及職業要求和標準，還有行業熱點問題，激發其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。

第四層次為開展課題式實踐教育，實現“產學研”一體化。為解決傳統教學理論和實踐脫節問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業方向設置的與半導體器件應用相關的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業，利用已學理論對行業熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。

（3）調整教學方法

一方面，要正確處理物理模型和數學分析的關系，不追求公式推導的嚴密性，強調對物理結論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發式和探究式教學，調動學生積極性和主動性。

（4）建設教學隊伍

對國內知名院校的相關專業進行考察和調研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內外相關專業的專家進行講座，邀請企業高級技術人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術及產品，并參與教學大綱及教學內容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產學研踐習的機會深入企業，提高教師隊伍的實踐經驗和綜合素質，為培養雙師型教師打下基礎。

（5）完善教材體系

教材是保證教學質量的重要環節，也是提高專業教學水平的有效方法。針對理工科專業特色方向及學生培養的目標，除選用經典的國家級規劃教材――《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業特色方向的相關教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結合的教材體系，在教材中融入學校及專業特色，注重理論和實踐相結合，增加案例分析，體現學以致用。

（6）加強教學管理

良好的教學管理是提高教學質量的必要手段。首先根據學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內容等，提高教學質量。

2.教學手段改革

（1）采用類比的教學方法

課堂上將深奧理論知識與現實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規則就座的學生類比為占據能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數量總和再除以教室體積。讓學生從現實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。

（2）采用理論實踐相結合的方法

在教學中時刻注意理論聯系實際的教學方法，例如，根據學生專業方向，在講述寬帶隙半導體材料的發光性能時，給學生總結介紹了LED芯片材料的類型和對應的發光波長，讓學生體會到材料性質是器件應用的基礎。

（3）構建網上學習系統

建立紙質、網絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網絡平臺建設，實現課程的網絡輔助教學和優秀資源共享。這些資源包括與本課程相關的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業及半導體行業發展前沿技術講座等。

（4）開展綜合創新的實踐

充分利用現有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結合。鼓勵學生根據所學內容，與教師科研結合，申請大學生創新項目，以提高學生實踐創新能力及應用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。

參考文獻：

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[3]王印月，趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

篇6

關鍵詞：半導體器件物理；教學改革；探索與實踐

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）04-0222-03

一、引言

隨著全球信息化進程的加快，微電子產業得到了迅速的發展，作為向社會輸送技能型人才的高職院校，培養微電子專業學生具備一定理論基礎和較強的實踐創新能力顯得尤為重要?！栋雽w器件物理》是高職院校微電子專業的一門重要的專業基礎課，主要講授的是半導體特性、PN結原理以及雙極型晶體管和MOS型晶體管的結構、工作原理、電學特性等內容，該課程教學的目的是讓學生掌握微電子學專業所用的基本器件知識，為學習集成電路工藝和設計打下理論基礎。

二、目前課程面臨的問題

1.學生的知識基礎的不足。要系統而深入地學習《半導體器件物理》課程，一般要求具備量子力學、固體物理及統計物理等前導課程的基礎知識。高職院校的學生，雖然是高中起點，但其中有很多文科畢業生，物理、數學基礎較差，缺乏現代物理學方面的基本概念和相關理論知識，面對《半導體器件物理》課程的學習，知識上難以順利銜接。

2.缺乏適合高職學生的教材。高職院校的微電子專業通常起步較晚，目前適合高職教育的《半導體器件物理》教材很少，比較成熟的幾乎全部都是本科教材，其基礎知識起點較高、數學推導繁雜，內容覆蓋太廣，不能適應高職學生的需求[1]。

3.教學模式的限制?！栋雽w器件物理》這門課理論性很強，通常把它定位于純理論課程，在教學模式上通常以板書為手段，以講授為主。其實，這門課是一門理論性和實踐性并重的專業基礎課，要求學生在掌握知識的同時學會科學的思維方法、具備開放的研究能力。但是傳統的教學模式對這些能力的培養是一個束縛。

4.教學資源的匱乏。在教學過程中為提高教學效率、增強學生興趣，強調充分應用現代教育技術和手段。但本課程缺乏直觀生動、富有動態變化，切實反映物理過程的輔助用PPT，另外，網絡資源很少，學生無法通過現代信息技術手段來實現自主學習。

三、課程教學改革探索與實踐

1.編寫適合高職學生的教材?；诟呗殞W生的特點和培養高技能應用型人才的目標，在教學內容的選擇上應以必須、夠用為度，突出基礎性、實踐性。例如在半導體材料特性這一部分，我們注意和高中物理的銜接，刪去K空間、布里淵區等過于艱深內容，增加了原子物理的基本概念，順利引出能帶論。在講雙極和MOS器件時，我們將半導體器件版圖的內容滲透到教學內容中，讓學生形成基本概念，有利于和《半導體集成電路》、《集成電路版圖設計》等課程的銜接；同時引入半導體器件工藝流程，為學習《半導體制造工藝》打下基礎，課程的實踐性也得以體現。另外，教學過程中的數學推導盡可能簡潔或者略去，注重通過圖例闡述物理過程，避免學生的畏難情緒。

本課程的內容按照知識內在的邏輯關系，可以分為三個模塊。集成電路的設計與制造是圍繞著半導體材料特性展開的，是微電子專業課程的基礎；PN結原理是雙極型晶體管的基礎、半導體表面特性是MOS型晶體管的基礎；我們把這三塊內容確定為基礎模塊。常規的半導體器件不是雙極性型的就是MOS型的，集成電路的基本單元也就是這兩種類型的晶體管，這是后續課程學習的關鍵，也是崗位職業能力的基礎。我們把這兩塊內容定為核心模塊。功率器件、太陽能電池、LED屬于新興的產品，對他們的結構原理的介紹也是有必要的，歸為拓展模塊。教學過程中要夯實基礎（模塊），突出核心（模塊），介紹拓展（模塊）。以期打好后續課程的基礎，全面培養學生的職業能力?；谏鲜鼋虒W內容選擇及組織形式，在多年教學實踐的基礎上，我們編寫了一本文字淺顯易懂、圖例直觀明了、論述明白流暢、數學表達簡潔、理論聯系實際、內容夠用即可的校本教材。通過試用學生反映較好，為教學工作帶來極大的便利。目前，教材《半導體器件物理》[2]已由機械工業出版社正式出版。

2.推進理實一體化教學改革。以前，教師通常將這門課當成一門理論課來上，以教師講課為主，實行的是填鴨式的灌輸教育，大部分學生對這種教學模式不感興趣。筆者以為，《半導體器件物理》這門課是理論性和實踐性并重的一門課程。在教學改革中我們將半導體實驗嵌入其中，作為理實一體化項目。把原來的驗證性實驗改變為探究性實驗，讓學生通過實驗現象自行分析研究，發現規律、得出的結論，從而提高學習積極性，增強感性認識，最終達到切實掌握知識的目標。

以PN結的正向特性——肖克萊方程為例，肖克萊方程的引入是個難點，完整的推導至少需要一個課時，作為高職院的學生來說，能聽懂的是少數?，F在我們講完正向導通的物理過程之后，運用半導體管特性圖示儀測量出PN的正向特性曲線（如圖2），然后直接引入肖克萊方程：

I=I■exp■-1

我們根據實測曲線給出理想曲線（如圖3）并進行對照，通過對比發現差異，然后介紹閾值電壓及其產生機理。這樣既避開了煩瑣的數學推導，又使得閾值電壓的概念能夠牢固的掌握。

目前課程運用的理實一體化項目有14個，如表1所示，占約占總課時的30%。

3.采用多元化教學方法。為了幫助克服學生學習“半導體器件物理”課程理論性較強和抽象難懂的困難，我們在實際的教學過程中，多采用啟發式和討論式教學，將理論學習和實踐練有機結合起來，增強學生創新思維和參與意識。在課堂教學中，采用啟發式教學，注重師生互動，改變以往的灌輸教育，使學生真正參與進來，加強他們學習的主動性，提高教學效率。采用討論式教學可以使學生在學習中由被動變為主動。在課堂上教師提出一些問題，讓學生自己查閱相關文獻尋找解決的辦法。然后就該問題組織學生展開討論。例如MOS管柵電極兩邊出現電場峰值，會降低擊穿電壓，應當怎么改善？在討論過程中教師總結和點評時，要指出為什么對，為什么錯[3]。在教學過程中，課程組設計完成一套多媒體課件，注重反映重要的概念與公式以突出基本概念和基本計算，展示器件等圖例，既方便說明問題，又可以減少板書時間，將更多的時間留給學生交流討論。PPT中還表現了物理現象的變化過程，將抽象理論知識動起來，大大激發了學生的學習熱情，加深了學生對理論知識的深刻理解。

4.將版圖設計軟件引入教學。Cadence virtuoso是一款功能強大的版圖設計軟件，運用cadence配套的specture仿真工具，也可以對半導體器件進行仿真分析，在這方面cadence軟件也有不俗的表現。下面采用該軟件對mos特性曲線在不同器件參數下進行量化分析。

圖1是標準NMOS器件的特性曲線仿真結果，寬長比為1μm∶1μm；改變其寬長比為1μm∶10μm，特性曲線仿真結果如圖2。通過對比讓學生理解半導體器件結構參數的改變將造成電學特性的變化，掌握如何合理選擇參數的方法。在教學過程中利用版圖設計軟件來進行仿真，增強了學生的感性認識，有助于學生的對理論知識的理解。同時讓學生初步接觸專業軟件，為后續的《集成電路版圖設計技術》等課程打下基礎。

5.建立課程網站。目前，課程已建立了網站，將課程信息、教學內容、多媒體課件、課外習題及答案等材料上網。課程網站的設立共享了教學內容，指導學生學習方法，方便學生自主學習。

四、總結與展望

在《半導體器件物理》課程改革的探索實踐過程中，我們使用課程組編寫的適合高職學生的教材，推進理實一體化的教學模式，在教學過程中恰當的運用啟發、討論等教學方法、制作直觀、動態的PPT輔助教學，收到了良好的教學效果，學生在學習過程中的畏難情緒明顯減少，主動性得到了顯著提升，和往屆相比，學習成績獲得一定的提高，后續課程的老師反映學生對基本概念的掌握更為扎實，教學改革獲得了初步成效。

目前已建立了《半導體器件物理》課程網站，但是缺乏互動。下一步的設想是：利用學校的Kingosoft高校網絡教學平臺，創建了《半導體器件物理》教學網站，開展網絡化教學。要設立多媒體課件、課程錄像、網絡資源、交流論壇、課程信息、課外習題、習題解答等欄目，積極拓展學生的學習空間，加強學生之間、教生之間的交流，以期方便不同理論基礎的學生進行學習，提高學生的自主學習能力，進一步調動了學習的主觀能動性。

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>> 催化劑可實現冷核聚變？ “氧核冷裂變”或可改變世界的新能源技術革命 巖性油氣藏成藏形成機理 油氣藏的形成與甲烷、水合甲烷關系的分析和認識 連續型油氣藏形成條件與分布特征 冷核聚變實用化:大突破還是大騙局 原位油氣藏特征、形成機制及其資源潛力 地質構造對油氣藏形成的影響 鄂爾多斯油氣藏形成情況分析 巖性油氣藏形成原因分析 興隆臺潛山油氣藏鉆井技術與方法 油氣藏裂縫識別與研究方法 斜坡帶隱蔽油氣藏勘探與實踐 核聚變 天然氣水合物羽狀流油氣藏數值模擬研究 非常規油氣藏形成機理及開發關鍵技術 共生礦品位指標的聯合優化 致密砂巖油氣藏開發技術 青海油田低滲油氣藏縫網壓裂技術探索與研究 車排子區塊石炭系油氣藏地質技術研究與展望 常見問題解答 當前所在位置：l.

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作者簡介:許馭,中國原國防科工委新能源試驗開發基地科研副總工程師,研究方向:“共生礦的形成機理與生命起源”等自然科學整體化原始創新探索。

附錄:

國內外多學科專家高度評價許馭科研組的原創科研成果

肯定許馭原創的多學科匯聚理論創新成果不是他個人的事,而是國家大事,目的是宣傳新能源技術革命起源于中國的真實性,以及美國后來居上、中國沒有重視的緊迫性。

2009年10月31日,北京相對論研究聯誼會、美國《格物》雜志編輯部聯合在北京召開第99屆盧鶴紱學術論壇,邀請原國防科工委新能源基地副總工、上海恒變新能源研究所所長許馭總工做《低能、中能與高能超分子微腔光子學》主題報告。此次評議會上,以及會前會后,國內外多學科專家高度評價許馭的《低能、中能與高能超分子微腔光子學》原創科研成果。

中國氣象科學研究院著名學者任振球教授評介:“科學界主流學派不相信水基燃料(水變油)的真實性,主要原因是理論上講不通;現在這個重大理論難題被原國防科工委新能源基地許馭總工創立的《高能超分子微腔光子學》基本解決了。許馭教授長期刻苦從事的叫做‘自然科學整體化原創研究’,他以強大的科技資訊全面綜合能力,幾乎把所有的交叉學科、前沿學科都統起來了,就是把宇觀、宏觀、微觀都統一起來了?！薄霸S馭教授歷經18年的艱辛探索研究,在王洪成的技術情報啟發下,破解了地球與土衛六油氣藏的真實形成過程,創立了“古海洋水中鏈式‘氧核冷裂變’形成大型油氣藏共生礦”理論,實現了“氧核冷裂變”原始創新理論的整體性重大突破。從宏觀到微觀,許馭已經打破了多學科交叉研究的學術障礙,將天、地、礦、生、數、理、化、醫有關多學科前沿知識與實驗成果連成一體,做到了融會貫通。一旦獲得支持,許馭此項新發現的整體性基礎理論原創成果,必將引發一系列新科技革命、新產業革命,其引發的新科技革命和世界經濟轉型的革命性意義必將載入科學史冊。”

北京航空航天大學的高歌教授認為:許馭總工原創的“氧核冷裂變”基礎研究不但有廣度,而且有深度;從宏觀到微觀已經連成一條線,做到了融會貫通;這項重大原始創新理論的方向是正確的,其會聚技術的工藝是新型的。清華大學校友、旅美學者王懷安教授認為:許馭提出的“氧核冷裂變”原始創新理論的整體性重大突破以及與“氧核冷裂變”有關的十大新興戰略產業,應該列為比美國“曼哈頓計劃”更重大的超“曼哈頓計劃”。北京大學楮德螢教授等認為:肯定宣傳許馭原創的多學科匯聚理論成果不是他個人的事,而是強調、宣傳新能源技術革命起源于中國的真實性,以及美國后來居上、中國沒有重視的緊迫性。

北京大學生物工程專家褚德瑩教授,中國中醫人體科學研究專業委員會主任林中鵬教授,北京總裝備部航天醫學研究所宋孔智教授等專家,認真聽取后認為,許馭提出的發現生物有機半導體與揭示經絡本質的新定義,能夠自圓其說,比較完美,富有創意性,有助于引發、促進以中醫藥現代化為主、中西醫高層次緊密結合的21世紀新醫學的誕生,有利于利及億萬民眾、推動低成本整體醫療新技術的組合集成與蓬勃發展。

國際著名的《特勒肖―伽利略科學院》顧問委員會顧問、國際著名物理學家迪耶戈寫信給他的中國朋友、英籍華人陳一文先生,對許馭的原創科研成果表達發自內心的贊嘆。物理學家迪耶戈教授認為:“許馭教授的原創科研成果是了不得的成就,能學習許馭的科研成果令我激動。我可以想象,許馭教授歷經17年的艱辛工作、耐心創立有關自然科學全面理論的背景、匯聚更多新學科的意義以及他所承受的孤獨與犧牲。這是了不得的成就!我很想知道許馭的科研工作最終是否能夠得到(中國)官方的支持。我已經將許教授的科研成果報告這個消息發給了俄羅斯院士彼得?伽利耶夫(Gariaev)教授,我們計劃與伽利耶夫教授一道,繼續關注許馭教授此項重大科研成果事態發展。希望邀請許馭教授合作研究科學整體化原創課題。”

國家發改委原副司長嚴谷良高工,在幫助撰寫此課題立項報告時評議:許馭總工歷經17年的艱辛探索研究,在吸取國內外多學科相關子課題研究成果的基礎上,已經實現了鏈式“氧核冷裂變”原始創新理論的整體性重大突破。

2009年1月4日至5日召開的量子信息與健康上海論壇上,上海市科委原副主任、上海市針灸經絡研究中心創始人、經絡專家魏瑚教授、上海市“經絡物質基礎”課題論證“領軍人物、著名經絡專家、復旦大學費倫教授,對許馭總工首先把超分子有機半導體量子微腔概念引入經絡本質研究領域,從超分子微腔量子光學的新方向提出了經絡的新定義,予以高度評價。魏瑚教授認為:從許馭的研究成果看,許馭甘坐十多年冷板凳,潛心學習的自然科學多學科基礎扎實,匯聚交叉的新學科多,并且做到了舉一反三,融會貫通。能取得這樣的原創成果很不容易。

英籍華人、《科技創新社會學》的創立者陳一文顧問于 2010年1月4日在給北京的一位朋友的信件中寫道:“根據我了解的國內外原始創新科研成果的情況,許馭教授的科研成果無論就挑戰、突破當代占主導地位的多學科基礎理論研究方面,就交叉學科前沿的匯聚研究方面,就對于中國以至世界的新興產業潛在經濟效益方面,就解決中國目前面臨的最為緊迫的新能源技術戰略發展方面,就促進中國科學技術原始創新研究的推動作用等方面,都居領先地位!”

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關鍵詞：計量；實驗教學；計量意識

計量是國民經濟的重要技術基礎，一個國家的計量水平標志著其經濟和科學技術發展的水平，一個企業的計量水平決定了其產品技術水平和質量控制能力。沒有計量，產品的質量將無法保證；沒有計量，經濟活動將不能正常運轉，公平、公正、誠實、守信就成了一句空話。在經濟社會中，計量的經濟效益除檢定、檢測的顯性效益外，主要體現在維護正常的經濟秩序、保證公平的交易、打破技術性國際貿易壁壘、提高產品質量、正確評定科研、科技水平。特別在醫療衛生、安全防護、節能降耗、社會民生等領域發揮巨大作用。加強計量工作，充分發揮計量在各行業中的技術基礎作用，有利于促進技術進步、質量提升和節能減排，保持國民經濟又好又快發展，有利于打造和諧、誠信的社會環境[1-3]。

大學物理實驗教育作為眾多教育領域的重要組成部分，它的基礎無疑是測量活動，與計量測試有著密不可分的聯系，尤其是理工科高等院校，在實驗教育中不斷增強計量意識，更應引起足夠的重視[4]。

一、計量是科學技術發展的重要基礎

計量本身就是科學技術的一個重要的組成部分，任何科學技術，都是為了探討、分析、研究、掌握和利用事物的客觀規律；而所有的事物都是由一定的“量”組成，并通過“量”來體現的。為了認識量并確切地獲得其量值，只有通過計量。比如，哥白尼關于天體運行的學說，是在反復觀察的基礎上提出的，并在伽利略用天文望遠鏡進行了進一步觀測之后而確立的；著名的萬有引力定律，被牛頓的敏銳觀察所揭示，并在百余年后經卡文迪許的精密測試而得到了確認；愛因斯坦的相對論，也是在頻率精密測量的基礎上才得到了一定的驗證；李政道、楊振寧關于弱相互作用下宇稱不守恒的理論，也是吳健雄等人在美國標準局（金標準技術研究院）進行了專門的測試才驗證的。總之，從經典的牛頓力學到現代的量子力學，各種定律、定理，都是經過觀察、分析、研究、推理和實際驗證才被揭示、承認和確立。計量正是上述過程的重要技術基礎。

歷史上三次大的技術革命，都充分地依靠了計量，同時也促進了計量的發展。

以蒸汽機的廣泛應用為主要標志的第一次技術革命，在蒸汽機的研制和應用的過程中，需要對蒸汽壓力、熱膨脹系數、燃料的燃燒效率、能量的轉換等進行大量的計量測試，發展起力學計量和熱工計量；另外，機械工業的興起，使幾何量的計量得到了進一步的發展。

以電的產生和應用為基本標志的第二次技術革命中，各種熱電偶的研制成功，對溫度計量、電工計量、以及無線電計量等提供了一種重要手段；邁克爾遜等人為了實際測量地球運動的相對速率，研制出了邁克爾遜干涉儀，從而為長度計量提供了一個重要方法；愛因斯坦成功地解釋了光電效應，成了熱輻射計量的理論基礎，使計量開始從宏觀進入微觀領域；隨著量子力學、核物理學的創立與發展，電離輻射計量逐漸形成。

以核能及化工等的開發與應用導致的第三次技術革命中，原子能、化工、半導體、電子計算機、超導、激光、遙感、宇航等新技術的廣泛應用，使計量日趨現代化，計量的宏觀實物基準逐步向量子（自然）基準過渡。原子頻標的建立和米的新定義的形成，有著相當重要的意義。頻率和長度的精密測量，促進了現代科技的發展。

至于人們廣泛談論和關注的所謂第四次技術革命的先導是微電子學和計算機，集成電路又可以說是先導的核心。集成電路的研制，依賴于相應的計量保證。比如，硅單晶的幾何參數、物理特性，超純水、超純氣的純度，化學試劑、光刻膠的性能，膜層厚度、層錯位錯，離子注入深度、濃度、均勻度以及工藝監控測試圖形等的測定與控制，都是精密測量。當前，我國集成電路研制尚比較落后，計量工作跟不上是其中的原因之一。

總之，科學技術的發展，特別是物理學的成就，為計量的發展創造了重要的前提，同時也對計量提出了更高的要求，推動了計量的發展；而計量的成就，又促進了科技的發展。

二、計量測試與實驗教育密切相關

除了驗證、確認和深化相應的理論課內容，實驗教學作為高校理論實踐的基礎，也是依據實驗手段進行的一種測量活動。諸如計量單位的選取，計量檢測設備的選用，測量原理及方法和誤差理論的研究，測量結果的獲得等，其最終目的都是為了獲得統一和準確的量值，從而得出正確的實驗結果。這正是計量測試技術的核心，也是實驗教學的目的。因此可以說，計量測試是實驗教育的基礎，計量測試技術滲透于實驗教育之中。

從計量學的角度研究，計量測試技術是一個綜合性體系，它從方案的策劃到儀器的配備、測試方法、環境要求以及測試者的操作技能等，無一不對實驗結果有著直接的影響。因此，在實驗教育中應緊密結合計量測試技術的應用，在實驗指導思想上要注意以下幾個方面：首先要正確認識計量單位的運用；其次要選用科學合理的生產儀器設備；再次實驗指導書是實驗教學的指導性文件，對引導啟發學生學習有著重要作用，應特別著重于編寫有層次、有深度的測量試驗原理、程序和數據處理方法。

在實驗報告的制作上，側重于對所得數據和運算結果的分析，以此確認理論知識的正確性。要得到好的實驗報告，必須引導學生注意三個關鍵問題：其一是對理論知識的深刻理解，而不是照抄照搬書本的內容；其二是測試結果的準確和完整，改變現有單一定性實驗模式，向綜合性實驗方向發展；其三是熟悉必要的數據處理方法和依此計算的實驗結果的準確度，重點應放在實驗結果的分析與改進上。

篇9

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申明:本網站內容僅用于學術交流，如有侵犯您的權益，請及時告知我們，本站將立即刪除有關內容。 王潤聲（右）在美國接受IEEE獎項并與電子器件協會（EDS）主席合影

2013年，美國IEEE電子器件青年科學家獎（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎名單，一位中國青年學者的名字出現在其中，他就是北京大學信息科學技術學院副教授王潤聲。

IEEE（電氣電子工程師協會）有五十多年歷史。多年來，該協會一直致力于推動電子和信息技術在理論發展和應用方面的進步，它被認為是科技革新的催化劑，也是太空、計算機、生物醫學、電氣及電子工程領域的權威組織。

經過了推薦、提名、網評、專家討論等考核環節后，王潤聲成為IEEE該獎項歷史上首位來自非美國機構的獲獎者?！皩W校和實驗室的平臺好，加上近期國家對科研項目的支持力度很大，甚至一些美國同行也都羨慕我們。”王潤聲說，“只要平臺是良性發展的、機制是不斷完善的，換作其他科學家，也一樣能取得成果、獲得獎勵?！?/p>

在王潤聲尚年輕的學術生涯中，IEEE電子器件青年科學家獎是重要節點，直接促使他在半導體新器件研究領域的地位更加令人關注。對于這個風華正茂的年輕學者來說，一場在晶體管研究領域的漫長巡禮才剛剛開始。

北大人的成長

王潤聲是北大“土著”，從小成績優秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤聲的興趣是物理學，但當年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當時物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤聲因此認為，由微電子專業轉向物理專業應該“比較容易”。憑借這個樸素的判斷，王潤聲憧憬著一個物理學家的夢，成了北京大學2001級微電子專業的學生。然而，此后一直到他讀博乃至后來成為北大老師，他卻都沒有再換專業，反倒在微電子的路上越走越遠。

王潤聲是他這一代青年科學家成長之路的典型代表：少了許多國家計劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔任了一年的乒乓球協會會長，后來又加入了學校網球隊。這時，王潤聲常常思考的問題是，“我的專業究竟有什么用？未來有什么發展？”那是青年學子一個迷茫善變的階段，他的目標不再局限于轉戰物理專業，還專門用了大半年時間跑到中文系聽課，甚至還打算考到中文系讀研。他困惑于選擇，思考一條最適合自己的專業之路。

回憶起那段日子，王潤聲說，人之所以對一件事情感興趣，也許是因為不用面對任何壓力，可以自由地做，因為你不必依賴這些有創造性的業余愛好來謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛好受到了物質刺激，也許會發現自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛好也不再是用來放松頭腦的富有創造性的追求，它變成了養家糊口的工具。而這些壓力最終會充滿抱怨與不滿，最后你會發現自己不但沒有工作好，還失去了一個愛好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時的消遣變成從早八點到晚五點要做的正常工作。經過一番深思熟慮，王潤聲徹底打消了轉專業的念頭，繼續學習微電子學。

2005年，王潤聲獲推免資格，成為北大微電子專業碩士生。王潤聲的導師、時任系主任的黃如教授是微納電子學領域的權威學者。在她的影響和指導下，王潤聲開啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學科頂級期刊TED和頂級會議IEDM上發表，當時這在學生中尚屬罕見。黃如發現了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤聲選擇繼續攻讀微電子學與固體電子學的博士學位。

2008年，國家通過教育部“國家建設高水平大學公派研究生計劃”向國外輸送第二批公派研究生，王潤聲也是其中的一員。他訪問的是美國普渡大學（Purdue University）電子與計算機工程（ECE）學院。普渡大學的微電子專業在全美排名靠前，并且很早就與北京大學建立了交流關系。“我是國內培養的‘土鱉’，但在美國，我發現國內微電子領域研究條件其實不錯;與國外同行相比，發現自己的專業水平也不錯。這說明我們國家自己培養的科研人員并不比別人差，因此我對自己更有信心了?！蓖鯘櫬曊f。

因為心系國內未完成的研究項目，王潤聲在普渡大學訪問一年后回到北大，于2010年4月師從王陽元院士進入博士后流動站深造，并得到了中國博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤聲被聘為北京大學信息科學技術學院講師。至此，他由一名北大學生變成了北大的老師，成為一名“徹底”的北大人。

瓶頸與變革

王潤聲認為，微電子學科發展正處于瓶頸期。最突出的表現是，不論個人電腦、移動通信，還是智能手機，制造商都在拼功耗，因為功耗是目前最大的難題?！笆裁磿r候一塊手機電池能用一周？”王潤聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創新，做出更好的晶體管。“產業技術發展不能停滯，否則就變成了傳統行業?！?/p>

“瓶頸就意味著新的變革即將產生?！蓖鯘櫬暤闹饕ぷ魇切滦途w管研究，這需要同時透徹了解電子學和物理學，并且及時跟進行業前沿最新成果。近年來，以英特爾、IBM、臺積電等巨頭為代表的微納電子新技術在行業內持續，產品功耗不斷降低。“對未來，5年后、10年后的技術，該如何設計、如何制作，如何在傳統的基礎上創新？這是我們思考的主要問題?！蓖鯘櫬曊f。

2014年，王潤聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實驗與理論研究”獲2014年教育部高等學?？茖W技術獎自然科學一等獎，個人排名第二。這是一項適用于未來集成電路技術的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現象及根源，提出了新的實驗與特性表征方法，并延拓了低功耗應用能力，得到了國際半導體產業界的關注。

根據王潤聲介紹，在技術層面降低晶體管的功耗，主要有三個方面的變革：一是做新的器件結構，二是用更合適的材料替換原有材料，三是改變其工作原理。王潤聲從本科畢業論文即開始針對新結構器件展開研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項成果是從英特爾22納米技術代的CPU芯片開始采用的三維晶體管，業內叫做FinFET，外形像魚鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結構具有很強的靜電學控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術代開始，業界采用氧化鉿取代了傳統的氧化硅作為柵極絕緣介質材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學隧穿原理改進原有晶體管的開關機制，以期從物理本質上進一步降低器件功耗。

后摩爾時代的創新

晶體管在傳統的電子產品應用中，遵循著名的“摩爾定律”不斷地等比例縮小以提高集成度，但如前所述，現在已經遇到了發展瓶頸。在后摩爾時代，除了傳統的應用，晶體管還可以在物聯網、智能傳感器、生物醫療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應用中大展身手。在后摩爾時代，晶體管該如何創新、如何發展、如何提高性價比？王潤聲同黃如教授等組成的團隊針對上述問題做技術研究，并有中芯國際等多個大型企業作為合作對象?！爱a業應用是我們的最終目的?！蓖鯘櫬曊f，信息產業已經成為國民經濟的支柱產業之一，而半導體集成電路產業是信息產業的基石，它的出現使電子設備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發展。

像多數科學家一樣，王潤聲也時常陷入困境。比如“有時會陷入一個問題，不停地繞圈”，他的經驗是，這時不能輕易放棄，堅持下去才會有突破?！熬拖翊蚱古仪颉！彼f：“有的時候，某一階段練球會覺得不僅進步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長球’了，再堅持一下水平就會有明顯提高?！?/p>

篇10

關鍵詞：培養計劃；培養目標；材料科學與工程；麻省理工學院

歐美國家在20世紀60―70年代開始設立材料科學與工程系。名稱變更反映了對材料領域研究認識的變遷，即“材料研究需要依據其行為和特征，而不是依據材料類型來進行”。1998年教育部對材料類本科專業目錄進行了調整，將原來劃分過細的十多個材料類小專業合并成了現在的冶金工程、金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料與工程、材料物理、材料化學等六個專業。同時，在引導性專業目錄中還設置了材料科學與工程一級專業。雖然以材料科學與工程一級大學科來設置專業是必然趨勢，但材料科學與工程人才培養模式仍在探索之中[1]。同濟大學當年就設置了材料科學與工程本科專業，期望以歐美的模式來培養材料學科人才。實際上，早在20世紀80年代，當時的同濟大學建筑材料工程系就為建筑材料專業的本科生開設了材料科學導論、斷裂力學、表面物理化學和傳熱、傳質與動量傳遞（簡稱三傳）4門基礎課程。近幾年因為參與學院材料科學與工程專業培養計劃的修訂工作，查閱了國內外許多大學這個專業的培養計劃，國內高校在材料科學與工程專業培養計劃上的認識一直存在爭議。美國麻省理工（MIT）材料科學與工程專業本科培養計劃的公開信息最多，不僅有課程列表和學分要求，還有課程的詳細簡介。尤其是麻省理工的開放課程服務（OpenCourseWare），使得我們還能夠進一步了解課程大綱和部分內容。此外，MIT材料學科是USNews全美排名第一的，他們的培養

計劃應該具有更好的借鑒意義。本文在反復仔細研究其有關本科培養的各種公開資料的基礎上，對其培養計劃進行了分析，結合自己的教學工作實踐，總結了一些心得體會，希望與國內同行共享。

一、麻省理工材料科學與工程專業的培養計劃

MIT材料科學與工程系設3個專業（Course）。其一為一般意義上的材料科學與工程專業（Course 3），學生所得學位是材料科學與工程理學學士（Bachelor of Science in Materials Science and Engineering），其所授學位是被ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，美國工程與技術鑒定委員會）授權的，絕大部分學生都選讀這個專業。其二為課程選擇度更大的一般專業（Course 3-A），這個專業的畢業生將獲得沒有特別指定專業領域的理學學士（Bachelor of Science without specification）學位，系里并不尋求ABET對這個學位的授權，只有很少學生選擇這個專業，常常是醫學、法學、MBA預科生選擇這個專業。第三是考古與材料專業（Course 3-C），學生所得學位是考古與材料理學學士（Bachelor of Science in Archaeology and Materials），系里也不尋求ABET對這個學位的授權。從系里是否尋求對所授學位授權就可以看到，MIT材料科學與工程系本科生的主要專業是一般意義上的材料科學與工程專業（Course 3）。后面的討論主要針對Course 3的培養計劃進行。

1. 課程和學分要求

該培養計劃的要求包括：（1）MIT的一般要求，共17門課程，其中自然科學6門，人文社科8門，限選科技課程2門，實驗課程1門。（2）交流能力課程（Communication Requirement）4門。（3）系內課程，包括一套核心課程（Core subjects，共10門課），一個論文或2個實習以及4門限選課程，合計184～195學分。其2011―2012版本的課程和學分要求見表1，表中課程名稱前面的數字表示課程號，后面跟表示學分的數字、課程性質、前修或同修課程號。MIT每門課程的學分由三部分組成，表示學習課程所需要的時間分布，中間用短線隔開，第一個數字表示講課時間，第二數字表示實驗、設計或者野外工作時間，第三個數字表示預習的時間，是以中等學生所需要時間估計的。1個學分大約相當于一學期需要14小時的學習時間。從表 1可見，一般專業課程，預習所需時間是講課時間的2～3倍。

備注

*可以代替本先修課程的其他先修課程列在課程描述頁面。

（1）這些課程可以算作必修課程或者限選課程的一部分，但不能同時計算。

（2）可以選9-12學分。

（3）通過申請，可以被類似課程替代。

2. 限選課程的選擇

中列出了21門限選課程，每個學生只需要選擇4門課（48學分）。理論上，學生可以在21門課程中任選48學分，甚至經過批準，還可以選擇其他系的課程或者研究生課程來代替。實際上，由于材料的范圍很廣，這些選修課程是根據主要的研究領域來設置的，它們是： 生物與聚合物材料（Bio-and Polymeric Materials），電子材料（Electronic Materials），結構與環境材料（Structural and Environmental Materials），基礎與計算材料科學（Fundamental and Computational Materials Science）。

因此，在MIT材料學院的網頁上，曾經列出了各領域推薦的限選課程。網頁上還列出了每一個方向的咨詢教授，以方便對上述領域某一方面更感興趣的學生選課。

3. 部分課程大綱和教學情況分析

（1）材料科學與工程基礎課程

這個課程為15學分（5-0-10），總是與“材料實驗”一起選修。課程安排也是交叉進行，實驗周不上課，一共有4個實驗周。這樣，材料科學與工程課程講課時間就縮短為9周（一個學期14周，最后一周為考試）。其課程安排為周一、三、五各2小時的講課（lecture），周二和四各1小時的復習課（recitation）。所以一共27次講課，18次復習課。實際講課為24次，另外3次課為測驗和考試。最后一次考試并不是考全部課程內容，即每次測驗和考試都是分段內容。

這個課程由兩個教授分別講授，每個教授都是24次課，因此可以推論，每次每個教授將講1小時。一個講授結構和化學鍵（Structure and Bonding），一個講授熱力學和統計力學學（Thermodynamics and Statistical Mechanics）。

兩部分課程分別布置6次作業，每部分每次都是2～3個題目，都有交作業的期限，沒有按期交作業的，該次作業成績為0。作業答案在交作業期限過后就會立即公布。課程總成績由作業成績占20%、三次測驗占80%構成。得分標準為：總評80分以上A，70～79分為B，55～69分為C，低于55分為不及格。

（2）實驗課程

MIT材料系內有2門必修的實驗課程，即材料實驗和材料綜合實驗。這兩門課程同時還是加強專業交流能力培養的課程，所以，教學過程特別注意專業交流方面（包括論文寫作、口頭技術報告等）的形式要求。材料實驗與材料科學與工程課程同時選修，在2年級第一學期進行。材料綜合實驗課（Materials Project Laboratory）基本上就是幾個同學合作的科研項目，在3年級下學期進行。下面以二年級的材料實驗為例，介紹其教學和考評辦法。

如前所述，材料實驗共4個實驗周，實驗周沒有其他專業課。實驗內容包括量子力學原理演示、熱力學和結構，同時囊括了幾乎全部現代材料分析研究方法（XRD、SEM/AFM、DSC、光散射等），并通過口頭和書面方式加強交流能力培養。從教學內容看，這門實驗課承擔了教授材料研究方法的任務。

一般將50個左右學生（2011年的2年級學生只有43人）分成6個組。每個實驗周有3個實驗主題，每個主題下面2個實驗，2個組共選一個主題，每組選做其中一個實驗。6個實驗同時進行。一周3次實驗，每次4小時。因此，每個組每周只做3個實驗（每個主題做1個實驗），共12個實驗。由于每個組只做了一半的實驗，對另一半實驗的了解，通過每周2次的1小時交流課程（recitation sections，一般隔天舉行）來實現。交流課上，大家各自在黑板上即興介紹實驗的發現，回答教師和同學的提問。

該實驗課由3個教授上，其中一個總負責。課程成績評分標準

二、分析和討論

1. 關于必修課和選修課

系內必修課程除畢業論文或企業實習外，共有10門。大學一般要求的17門課，理論上可以自由選擇，但從表1系內課程的先修課程可以看出，微積分I和II，物理I和II是需要先修的，大學一般要求的6門自然科學課程就去掉了4門，能夠自由選擇的大學自然科學課程剩下2門。從系里建議的選課表（roadmap）可以看到，另外2門自然科學是化學和生物。所以，自然科學的必修課程實際上相當于14門。

限選課程要求包括GIR類型2門和48學分的系內選修課。有3門系內課程（共39個學分）可以作為GIR課程來選，但不能同時作為系內課程要求的學分。大多數系內選修課程的學分為12分，這樣的話，系內限選課48學分需要選讀4門。所以，每個學生可以有6門專業選修課程。有意思的是，在表1中只有21門限選課程，而該系主要的研究領域（或者說相當于我們的專業方向）有4個，平均每個方向只有5.25門課。如果去掉2011―2012年新增的2門課程，過去幾年只有19門課，平均每個方向只有4.75門課程?？磥?，MIT材料科學與工程專業的課程設置，并不鼓勵學生選單一專業方向的課程。實際上，在以前分專業方向限制選修課時，每個專業方向僅僅提供2～3門課程，進一步的分析見下文。

反觀我們的培養計劃，我們的專業方向必修課程有5門（14學分），選修課程應選4門（8學分），合計9門課程22學分。因為我們的學分是按照每周上課學時數計算的。如果按照MIT的學分計算方法，學分約為每周上課學時數的3～4倍，考慮到我們的上課周數為17～18周，而MIT才14周，因此，我們的專業方向應選學分至少相當于MIT的88學分，比其4門課程（48學分）的要求多了5門課程（40學分）?？梢?，我們的培養計劃更加注重學生專業方向知識和技能的培養。

另外，MIT材料科學與工程系的研究領域非常廣泛，關于其主要研究領域的介紹出現在3個網頁上。其一是在該系的學位要求中關于限選課程的介紹網頁，4個主要的研究領域分別是生物與聚合物材料、電子材料、結構與環境材料、基礎與計算材料科學。其二是在MIT的招生網頁，4個主要的研究領域分別是：半導體材料和低維系統（Semiconductor materials and low-dimensional systems）、能源材料（Materials for Energy）、納米結構材料（Nanostructures）、材料的生物工程（Bioengineering of Materials）。在介紹全體教師（Faculty）的網頁，列出了30個研究方向（discipline），共122人次（有重復計算，因為實際教師只有35人），平均每個研究方向4.07人次（或1.17人）。少的方向僅1人如微技術、半導體，最多的是納米技術，23人次。上面列出的生物工程（包括生物物理和生物技術）9人次，能源材料（包括能源與環境、儲能）9人次。人數比較多的研究方向還有結構與環境材料9人次，高分子材料7人次，電、光和磁材料7人次。

可見，盡管MIT研究的材料類型很多，但其本科生培養計劃中，涉及具體材料類別方向的課程特別少。

2. 關于考核與成績

MIT很多課程的成績評定都包括平時作業和出勤與課堂參與情況。有的課程，考試以外的項目在成績評定中所占份額可達到50%，有的實驗課程則更是高達85%這在一定程度上反映了MIT對大學生平時學習的管理是非常嚴格的，與我們頭腦中關于國外大學生“自由”學習的圖像截然不同。

3. 關于選課進度安排

MIT材料系沒有規定統一的選課進度表。但從其推薦的選課安排（roadmap）看，具有如下特點：

（1）8門大學一般要求的社科課程（GIR）分布在8個學期選修，即每學期選修1門社科課程；

（2）一年級把大學要求的6門自然科學課程（GIR）學完，包括數學、物理和化學。

（3）二年級起全面進入專業學習。第一學期學習材料科學與工程基礎、材料實驗2門課程，兩門課交叉進行，實驗周不上課。上課周每天都有材料科學與工程基礎課，實驗周每天都有實驗或交流，學習安排非常集中。

（4）每學期的課程一般為4門，其中1門為社科課程。

MIT二年級第1學期就學習專業基礎課程，這比我們的教學計劃提前很多。國內的教學計劃進度安排曾經強調，前兩年不安排專業課，以至于我們的材料科學與工程課程被安排在第5學期，材料研究方法更是被安排在第6學期，使得高年級學習特別緊張，深入接觸專業知識和方法的時間被推遲。

4. 關于培養計劃的修訂

從網頁上能夠追溯到MIT材料系1998年的培養計劃，其培養計劃在2003年做了很大的調整。兩者的比較

這兩個培養計劃的最大差別在必修課，課程名稱幾乎完全變了。但對比課程名稱和教學內容可以發現，新培養計劃中的“材料科學與工程基礎”包含結構與化學鍵、熱力學與統計力學兩大部分內容，分別由兩位教授講授，似乎代替了原來的“材料熱力學”、“材料物理化學”和“材料化學物理”3門課程，因為其教材之一仍然是物理化學（Engel， T.， and P. Reid. Physical Chemistry. San Francisco， CA： Benjamin Cummings， 2005. ISBN： 9780805338423）?！安牧蠈嶒灐睉撆c原先的“材料結構實驗”對應，“材料綜合實驗”應該與原來的“材料加工實驗”對應?！安牧系奈⒔Y構演變”與原來的“材料結構”相似。取消了“材料力學”、“材料工程中的輸運現象”2門課程。增加了“材料的電光磁性能”、“材料的力學性質”、“有機和生物材料化學”、“材料加工”4門課程。取消2門，合并2門，增加4門，課程總數不變。

選修課變化較小，只是增加了若干課程，特別是生物材料和納米材料的課程。其實，兩門生物材料課程是2000年增加的，當時選修課由4方向增加為5個方向。選修課的最大變化是理論上不再分專業方向，學生可以任意選課。但實際操作時，仍然向學生推薦各專業方向的課程組合。無論如何，每個專業方向的課程不足4門，學生必然需要選修其他方向的課程。

從2003年至今，必修課沒有變化，選修課則有一些小的調整（表5）。其中2005年減少了高分子化學、化學冶金學（Chemical Metallurgy）2門課程。增加了2門數學，材料熱力學（原來的必修課），先進材料加工，衍射和結構，材料的對稱性、結構和張量性質，材料選擇，共7門課程。可見，增加的這些課程仍然是與具體材料種類無關的。2007年和2011年分別增加了1門生物材料方面的課程。可見，即使是選修課的調整，仍然在繼續加強有關材料行為特征方面的課程，減少有關具體材料種類的課程。

5. 關于培養目標與課程設置

過去，MIT材料科學與工程系培養目標分四類，研究型學位（Course 3）、預科型學位（Course 3A）、實踐型學位（Course 3B，2003年取消）和考古型學位（Course 3C）。其中，研究型學位與實踐型學位培養要求的唯一差別是不變的，即前者在四年級做畢業論文，后者在二年級暑假和三年級暑假做2個20周的企業實習，其他課程要求完全相同?，F在把實踐型學位取消了，但仍然保留了學生向這個方向發展的渠道，即學生仍然可以選擇做畢業論文或者企業實習，學位合并在研究型學位（Course 3）中。

從2003年培養計劃大調整來看，MIT材料科學與工程專業（Course 3）的主要培養目標是讓本科畢業生繼續深造。也可能是社會需求的變化促使MIT對培養計劃進行調整。這從MIT選讀實踐型學位人數變遷或許可以看出一些端倪（表6）。從1998年到2002年，實踐型學位人數多于研究型學位的人數，2002年突然降低，與研究型學位相當。查看大學2年級實踐型學位學生注冊數，從2002年起突然減少，由原來每年約20人突然減少為6人。2003年培養計劃調整當年，還有5人注冊為實踐型學位，這應該是此前培養計劃延續所致。

那么，沒有了實踐型（Course 3B）學位，是否還有學生仍然會選擇實習代替論文呢。下面從2002～2008年MIT材料系本科畢業生去向分析。除了一些研究生院，網頁一共列出了38家企業和17家政府部門或咨詢機構。統計2002年以后（至2005年結束，當年僅剩下1人）各年4年級實踐型學位人數（也約等于當年畢業人數）總和恰為38人，與畢業生去向統計的企業單位數剛好相同。這難道是巧合？是否可以推論，2003培養計劃修改之后幾乎就沒有學生選擇去企業實習了？

MIT材料專業取消實踐型學位，以及此后可能幾乎沒有人選擇實習代替畢業論文事實，一方面可能與美國產業向國外轉移，本國企業對工程師的需求減少有關；另一方面，MIT培養計劃中的課程設置調整也起了一定作用。因為選擇實踐型學位人數銳減在前（2002年），培養計劃調整在后（2003年）。培養計劃中去掉的必修課“材料力學”和“材料工程中的輸運現象”，顯然屬于工程類課程。因此，其培養計劃課程中增加材料研究型基礎知識、減少工程知識的傾向十分明顯，也說明其培養計劃隨社會需求進行了及時調整。

另外，盡管2003年培養計劃中的必修課有較大調整，但選修課調整比較有限。而且調整前后，沒有改變其材料類本科生寬專業培養的模式。

但在選修課中，把專業方向的基礎課程去掉，仍然讓人有點匪夷所思。例如，高分子化學在高分子材料領域歷來就被認為是專業基礎課。MIT在2005年卻把這門課從本科生培養計劃中去掉了。查看其高分子方向研究生培養計劃核心課程，可以看到高分子物理化學、高分子合成、高分子合成化學等基礎課程。可見，MIT把專業方向的一些基礎知識培養放在了研究生階段。

以上似乎給人這樣的印象，如果不繼續讀研究生，則專業方向的基礎知識是不太夠的，無形中將人才培養的周期拉長到研究生階段了。但從我自己教學的經驗來看，學習高分子物理就可以了解高分子材料的行為和特征，未必需要清楚地知道高分子材料的合成與制備方法。我的一些研究生以前從未學習高分子方面的課程，為了讓他們在研究中能夠理解和使用高分子材料，我就是先給他們講授高分子物理的基本知識。

另外，注意到MIT材料專業研究生數量是本科生數量的2.2倍，有很多研究生來自校外，特別是來自國外。所以，MIT材料專業培養計劃中對專業方向選修課程的調整，結合研究生階段的課程安排，既考慮到了本科寬專業基礎的培養模式，又打通了本科生培養與研究生培養之間的關聯，在研究生階段加強專業方向基礎知識的培養，也便于接受其他教育背景的學生來讀研究生，還是十分合理的。

MIT材料專業的本科培養計劃，不斷強化了按照材料大類進行培養的模式，必修課和選修課都加強了材料基本行為知識的課程，減弱了材料類別基礎知識的課程，把后者移到研究生教育階段。這說明國外關于“材料研究依據其行為和特征，而不是依據材料類型來進行”的認識形成30多年以來，不僅沒有改變，還在進一步加強。MIT在2003年對培養計劃大調整時，加強了材料研究基礎知識課程，減少了工程類課程，其本科生的主要去向是進一步深造，直接到企業就業的比例急劇減少。本科生階段加強研究基礎知識課程，把專業方向基礎知識培養放在研究生階段，加強了研究生的知識培養，可能是其材料研究能夠長期在美國名列前茅的原因之一。