课程名称：材料科学基础实验
英文名：Basic Experimental Methods in Materials Science
实验课程编号：19001400
实验总学时：64
实验周学时：4
开设实验项目数：12
实验课学分：2
课程性质：核心
面对院系、专业、年级：现代工程与应用科学学院、材料物理专业、3年级
课程主持人（主讲教师）：韩民、丁怀平
本大纲主撰人： 韩民
一、实验教学目标与基本要求：
材料科学基础实验包括功能材料制备与测试的基本物理方法与技术等内容。
1、学习并掌握基本的气相沉积、固相反应制备材料的原理和技术；
2、学习和掌握材料结构和形貌表征的基本手段。
3、学习和掌握材料光学、力学、电学特性表征的基本手段。
4、通过综合性、研究式实验的训练，培养学生的科研能力。
6、通过实验培养以下能力：
（1）材料实验室的基本实验规范。
（2）使用手册，工具书，查阅有关文献、资料的能力。
（3）正确进行实验操作，取得正确可靠的实验结果，获得用实验解决问题的动手能力。
（4）观察现象，分析判断，逻辑推理的能力。
（5）选择材料、仪器、实验方法和初步具有设计实验的能力。
（6）正确记录和处理数据，综合表达实验结果的能力。
二、实验课程内容与学时分配：
序号 | 实验项目名称 | 内 容 提 要 | 学 时 | 专业年级 | 类型 | ||
综合 | 设计 | 验证 | |||||
一 | 必修实验： | ||||||
0 | 绪论 | 讲解以下内容：1、材料科学实验的目的。2、材料科学实验的学习方法。3、材料科学基础实验室规则。4、材料科学基础实验室安全细则。 | 5 | 材料物理 3年级 | √ | ||
1 | 真空蒸发制备金属薄膜 | 掌握真空蒸发制备薄膜的基本原理，学会利用真空蒸发技术制备薄膜的基本方法，通过实验对真空系统、镀膜系统等有更深层次的了解 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
2 | 磁控溅射制备金属薄膜 | 掌握磁控溅射的基本原理，学会利用磁控溅射技术制备薄膜的基本方法 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
3 | 等离子体增强化学气相沉积制备薄膜 | 了解等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备薄膜的基本原理，掌握PECVD制备薄膜的实验流程 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
4 | 陶瓷材料的高温烧结 | 掌握通过高温固相反应制备陶瓷材料的原理和技术 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
5 | 扫描探针显微镜的原理和应用 | 了解扫描探针显微镜的基本原理，掌握其操作方法，并用原子力显微术进行纳米尺度表面结构分析。 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
6 | 材料的显微硬度分析 | 掌握对金属体材料和薄膜样品进行硬度分析的原理和方法。了解热处理对材料硬度的影响。 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
7 | 半导体材料光学性质的测量 | 了解单色仪、紫外-可见-近红外光源和光度测量的基本原理和操作方法，掌握通过紫外-可见-近红外分光光度测量分析半导体材料光学性质的基本方法 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
8 | 四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 | 掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法；针对不同几何、 尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素及改进途径 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
9 | 霍尔效应与半导体电学参数测量 | 了解霍尔效应的基本原理；学习用霍尔效应测定半导体材料的载流子浓度及载流子迁移率等重要参数 | 4 | 材料物理 3年级 | √ | ||
二 | 选修实验： | ||||||
1 | 透明导电薄膜的制备 | 了解氧化铟锡透明导电(ITO)薄膜的基本原理，掌握通过射频磁控溅射方法制备ITO薄膜的方法与工艺参数 | 8 | 材料物理 3年级 | √ | ||
2 | 类金刚石薄膜的制备与性质 | 通过PECVD制备类金刚石薄膜，对薄膜的硬度，光学性质与电学性质进行表征，探讨薄膜的sp2/sp3成份的控制途径 | 8 | 材料物理 3年级 | √ | ||
3 | 半导体发光材料的制备与表征 | 学习半导体发光的基本原理，制备半导体薄膜，测量其光致发光性质 | 8 | 材料物理 3年级 | √ | ||
三、教学方式与考核要求：
本课程目前尝试通过多媒体演示，计算机控制的交互式操作辅助教学。大量使用图形、动画、影像等多媒体手段，直观演示实验原理和操作要领，及试验中产生的微观过程。
本课程通过对学生实际操作，实验报告质量，思考题解答的考察，综合给出成绩评定。每个实验、考查都有统一和详细的评分标准。部分实验由学生撰写论文(鼓励用英文写作)，考察学生的创新能力，培养学生的撰写规范科学论文的能力，该项成绩作为总体成绩的补充和参考。
四、主要使用仪器设备：
序号 | 实验项目名称 | 使用仪器设备名称 | 性能要求 | 台套数 |
1 | 真空蒸发制备金属薄膜 | 高真空镀膜机 | 真空度：1×10-5Torr 加热电流：100A | 1 |
2 | 磁控溅射制备金属薄膜 | 磁控溅射镀膜机 | 真空度：1×10-5Torr 直流磁控电源：1000V，500W 射频电源：500W 衬底加热：500℃ | 1 |
3 | 等离子体增强化学气相沉积制备薄膜 | PECVD镀膜机 | 本底真空度：5×10-5Torr 射频电源：500W 衬底加热：500℃ | 1 |
4 | 陶瓷材料的高温烧结 | 高温烧结炉 | 加热温度：900℃ 功率：2000W | 1 |
5 | 扫描探针显微镜的原理和应用 | 扫描探针显微镜 | 分辨率：横向 0.2nm, 垂直 0.1nm 图像分辨率：1024×1024 扫描频率：0.1～100Hz 扫描范围：最大可达125m×125m 基于Windows XP的在线控制软件和后处理软件 | 1 |
6 | 材料的显微硬度分析 | 数显显微硬度计 | 试验力：10g、25g、50g、100g、200g、300g、500g、1000g 试验力施加方法: 自动(加荷/卸荷/保荷) 最小测量单位: 0.5μm 总放大倍数: 100×（观察）400×（测量） 压头中心到外壁距离: 85mm | 1 |
7 | 半导体材料光学性质的测量 | 光栅光谱仪 | 波长范围：光电倍增管200-800nm 焦距: 500mm 狭缝宽度:0-2mm连续调 示值精度:0.01mm 相对孔径:D/F=1/7 波长精度:±0.4nm 波长重复性:0.2nm 分辨率:优于0.1nm 杂散光: ≤10-3 | 1 |
8 | 四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 | 四探针测试仪 | 适用晶片尺寸：2" 测量范围：电阻率：10-4～105 Ω·cm；方块电阻：10-3～106Ω/□ | 1 |
9 | 霍尔效应与半导体电学参数测量 | 霍尔效应测试仪 | 磁场强度：0.31T 常温和液氮温度(77K)下测量; 输入电流：1nA-20mA; 迁移率(cm2/Volt-sec): 1-107 阻抗(Ohms.cm):10-4 to 107 载流子浓度(cm-3):107 - 1021 样品夹具：6mm*6mm | 1 |
五、实验教材、参考书：
（一）实验教材：
《现代材料科学与工程实验》，袁长胜，韩民主编，科学出版社，2012。
《材料科学基础实验》南京大学材料科学与工程系编，讲义，2011。
（二）参考书：
1、《材料科学导论》冯端、师昌绪、刘治国主编，化学工业出版社，2002。
2、《近代物理实验技术》尚世铉等编著，高等教育出版社，1993。
3、《薄膜材料制备原理、技术及应用》唐伟忠编著，冶金工业出版社，2005。
4、Stephen A. Campbell, The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication(2nd Ed.), Oxford University Press. Inc., USA, 2001(中文版：曾莹，严利人，王纪民，张伟 等译，电子工业出版社，北京，2003)
5、R. A. Dunlap, Experimental Physics: Modern Methods, Oxford University Press, 1988.
