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把“薄膜光电导效应”引入探究型实验教学

更新时间:2016-07-05

高等学校教育的改革推动着高等教育的不断发展,创建具有中国特色的世界高水平的本科教育成为高等教育发展的重要目标. 学校是否把一流的科研优势转化为教学优势以及是否把一流的科研成果转化为教学内容成为创建世界一流本科教育的核心观察点中的重要组成部分[1]. 目前,许多高校通过教育改革,已经把科研成果转化成为专业实验课程的教学内容,这些专业实验课程不仅使学生学到了专业知识,还培养了他们的科研能力[2-5]. 众所周知,为大学一、二年级学生开设的物理实验课程,是高等学校中惠及学生最多的非常重要的实践类教学课程之一. 因此,物理实验教学的改革在高等学校教育改革中占有非常重要的地位. 最近,美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和哈佛大学为了使更多的非理科专业的学生通过物理理论和实验教学通俗易懂地获得物理知识和科研能力,把物理教学搬到了厨房中,每年为数百名本科生开设物理理论和实验课程,在生活中学习物理,激发学生的学习热情,使学生在获得理论知识的同时,训练他们的科研能力[6]. 国内的许多高校通过把科研成果转化为物理实验教学的改革,加强学生科研创新能力的培养[7-11]. 我们从2000年开始依托国家工科物理教学基地的建设,把科研成果引入到大学一、二年级的物理实验教学中,并取得了一定的成效[12-15].

根据多年的教学改革的实践,我们认为从科研成果转化成为物理实验教学的实验内容应该具有以下5个特点:1) 来自于当今科学研究的前沿,并具有较好的再现性;2) 具有清晰的物理图像(物理概念、物理机理),符合被授课学生具有的基础理论知识的水平;3) 具有开设出探究型(研究型)实验的可行性;4) 具有较高的实验效率(实验装置相对简单、实验时间不太长);5) 具有训练学生科研能力(发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力)和开阔学生科研眼界的可能性. 具有上述5个特点的物理实验可以纳入大学一、二、三年级学生的物理实验课程教学,使得更多的学生获益.

在教学实践中,我们发现科研成果转化成物理实验教学的实验项目还需要不断的丰富. 此外,澳大利亚悉尼大学的Sharma等人通过对大学一年级学生的调查发现,学生对物理实验的设备和实验环境的满意度是非常低的[16]. 因此,不断丰富科研成果转化的物理实验项目,以满足学生日益增长的学习需求,培养创新型人才,建设世界高水平的本科教育,是非常有意义的工作. 最近,我们开展了网状结构Al掺杂ZnO薄膜(ZnO∶Al薄膜)的光电导特性的研究[17]. 我们精选出了这项科学研究中的部分成果,这些成果满足上述科研成果转化成为物理实验教学的5个特点. 本文介绍了不同膜厚的网状结构ZnO∶Al薄膜的光电导特性,讨论了如何把这一科研成果引入到探究型物理实验教学中.

1 实验教学内容

1.1 ZnO∶Al薄膜

通常情况下ZnO具有六边纤锌矿结构,具有六方对称性. 纤锌矿结构ZnO的晶格常数a=0.324 98 nm、c=0.520 66 nm. ZnO是直接带隙宽禁带半导体材料,其禁带宽度约为3.37 eV,它具有较高的激子(电子-孔穴对)束缚能,约为60 meV. 其特定的结构,使得ZnO成为对可见光具有高透射率的透明材料. 用Al对ZnO进行掺杂形成n型半导体ZnO∶Al,其具有较高的电导率(103~104 S/cm).具有高可见光透射率和较高电导率的ZnO∶Al薄膜作为透明电极在超薄显示技术领域具有潜在的应用价值,它有希望替代目前正在使用的透明电极材料ITO(锡掺杂氧化铟,In2O3∶SnO2≈9∶1,电导率104 S/cm)薄膜.

1.2 实验样品和仪器

图1 不同厚度的网状结构ZnO∶Al薄膜的扫面电子显微照片

实验中所使用的样品是已经制备好的不同厚度的网状结构ZnO∶Al薄膜.薄膜是用直流磁控溅射法在多孔Al2O3衬底上制备而成的,其制备条件为:直径为50 mm、纯度99.99%的ZnO+2wt%Al2O3靶材、背景真空度1×10-4 Pa、Ar压强0.4 Pa、溅射功率150 W、沉积温度300 K、沉积速率0.2 nm/s、靶到衬底的距离10 cm.多孔Al2O3衬底是英国沃特曼公司(Whatman)的产品,衬底孔洞的平均孔径约为100 nm.网状结构ZnO∶Al薄膜的厚度分别为60 nm、160 nm和190 nm.图1显示了不同厚度的网状结构ZnO∶Al薄膜的扫面电子显微照片. 从图1可以看出,薄膜具有网状结构,随着膜厚的增加,薄膜中孔洞逐渐减少,从而导致薄膜的比表面积(表面积与体积的比)随着膜厚的增加而降低.

把银胶粘接到网状ZnO∶Al薄膜上作为测量光电导特性的电极,图2显示了测量光电导特性的金属-半导体-金属的平面测量结构示意图. 二个银电极之间的距离是10 mm.用Keithley4200-SCS测量系统测量了电流和电压的关系,该测量系统的电压测量分辨率0.5 μV、电流测量分辨率100 fA.测量光电导特性的光源是ENF-280C/FE型紫外光源,其波长为365 nm,功率是0.47 mW/cm2. 测量薄膜的光电导特性时,紫外光照射在二个银电极之间的薄膜部分.

图2 测量光电导特性的金属-半导体-金属的平面测量结构示意图

1.3 实验内容

4) 实验装置简单,实验操作不复杂,所用实验的时间不会过长. 最基本的实验装置是紫外光源、电压源和电流表. 最基本的实验原理就是欧姆定律.这些使得实验效率较高,适合为大批学生开设物理实验.

表1 60 nm厚的网状ZnO∶Al薄膜的暗电流和光照电流

U/VId1/10-5AId2/10-5AI1/10-5AI2/10-5A0.00.00000.00000.00000.00000.50.03660.03660.16520.16251.00.07340.07330.33130.32521.50.11020.11010.49820.48572.00.14700.14710.66790.64762.50.18390.18410.83680.80933.00.22090.22121.00660.97063.50.25790.25841.17711.13174.00.29500.29561.34841.29254.50.33210.33291.52041.45325.00.36930.37031.69331.61365.50.40660.40681.86711.77386.00.44380.44432.04151.93346.50.48120.48182.21662.09787.00.51950.51952.39262.25177.50.55690.55722.56922.41088.00.59440.59492.74652.56948.50.63190.63262.92472.72739.00.66950.67053.10322.88519.50.70710.70833.28313.042610.00.74500.74613.46323.1997

表2 160 nm厚的网状ZnO∶Al薄膜的暗电流和光照电流

U/VId1/10-4AId2/10-4AI1/10-4AI2/10-4A0.00.00000.00000.00000.00000.50.29160.29120.32970.32791.00.58460.58260.66250.65581.50.87660.87520.99460.98492.01.16881.16811.32751.31432.51.46151.46151.66201.64353.01.75491.75511.99701.97253.52.04732.04942.33242.30054.02.34112.34412.66832.63004.52.63422.63883.00482.95835.02.92752.93483.34253.28705.53.22213.23053.68123.61476.03.51663.52604.01953.94266.53.81053.82144.35814.25667.04.10414.10724.69884.58287.54.39964.40475.05224.90908.04.69504.70015.39385.23778.54.98964.99825.73505.56379.05.29355.29596.07815.88669.55.58985.59116.42126.212010.05.88595.88686.76606.5353

表3 190 nm厚的网状ZnO∶Al薄膜的暗电流和光照电流

U/VId1/10-3AId2/10-3AI1/10-4AI2/10-4A0.00.00000.00000.00000.00000.50.08280.10720.16400.16311.00.16850.24050.32810.32651.50.25530.40400.49240.48892.00.55780.56760.65830.65232.50.70820.74060.82320.81583.00.85480.90700.98850.97933.51.00461.07111.15371.14244.01.17231.23391.31951.30624.51.35411.39661.48531.46975.01.49031.55881.65151.63365.51.66211.72251.81811.79786.01.83851.88621.98471.96146.51.99812.04842.15182.12547.02.19162.21032.31912.28917.52.36412.37352.48662.45278.02.52422.53402.65542.61618.52.68322.69512.82382.77949.02.83762.85642.99262.94319.53.00173.01613.16133.106710.03.14943.17023.33043.2694

3) 由于实验内容来自于科研工作,因此可以开设出探究型(研究型)实验. 本实验自身就是一个具有探究型的实验,它研究了薄膜厚度对网状结构ZnO∶Al薄膜光电导特性的影响,并能够通过简单直观的薄膜结构特征(表面积)对这一影响做一个简单的物理解释. 从而使学生掌握材料的结构决定其物理性质这一最基本的科研思维方式. 此外,还可以改变前期薄膜的制备条件(例如,制备温度、沉积速率等),研究不同制备条件对薄膜光电导特性的影响.

5) 通过开设探究型的实验能够训练学生的科研能力(发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力).在本实验结果分析的基础上,学生还可以继续深入地思考并提出问题、分析问题和解决问题,例如,为什么薄膜的表面积越大其光电导特性越显著?影响薄膜光灵敏度的微观物理机理是什么?等问题的回答,需要学生去进一步查找和阅读相关的学术文献,在这一过程中,学生不仅进一步深入地学习了物理学和材料科学领域的专业知识,而且还提高了学生的科研能力. 此外,本实验还能够开阔学生的科研眼界,例如,如何制备出稳定结构的网状薄膜,网状导电薄膜具有独特的结构和物理性质,其在具有大的表面积的同时还具有电学的导电通路,这在传感技术和探测技术领域具有很高的潜在应用价值. 如果没有多孔结构的衬底,制备出稳定的网状结构薄膜是不太可能的.

(1)

其中I为光照电流,Id为暗电流。根据式(1)计算可得,在二个电极间所加10 V电压的条件下,厚度为60 nm、160 nm和190 nm的网状结构ZnO∶Al薄膜的光灵敏度分别为3.65、0.15和0.06.这也清楚地看出,随着膜厚的增加(表面积的减少),网状结构ZnO∶Al薄膜的光灵敏度显著地减小,光电导特性减弱.

图3 在无光照和有光照条件下不同厚度网状结构ZnO∶Al薄膜的电流和电压关系

2 实验教学的特征

在算例1的基础上,算例2将提出的负荷频率协调控制和滑模负荷频率控制器应用于柴储混合电力系统中,对系统频率进行优化控制。算例2的系统负荷频率偏差值如图4所示。

1) 物理实验内容来自于科学研究的内容,具有科研的属性,具有较好的再现性.

TAXUS系列的临床实验,不仅较为客观的评价了紫杉醇涂层支架,应用于临床的安全性,且紫杉醇涂层支架亚洲、欧洲研究均展开新生内膜面积,所受不同浓度紫杉醇涂层支架的影响。后经临床研究结果证实,半年后的紫杉醇药物涂层组,相较裸支架组平均管腔狭窄度明显较轻,并且结果证实新生内膜面积,更随着紫杉醇的应用剂量不断增加而随之减少,

2) 具有清晰的丰富的物理概念. 光电导效应是一个重要的物理效应,是光电探测器的物理基础,是光电子技术的重要组成部分;光电导特性是半导体材料的一个基本的物理特性. 此外,在实验测量中还涉及到暗电流、光照电流、光电流、光灵敏度等基本物理知识以及欧姆定律.

图3显示了在无光照和有光照条件下不同厚度的网状结构ZnO∶Al薄膜的电流和电压的关系. 在图3中,二次测量的电流值具有较大差距的实验点给出了误差的标记,其它二次测量实验数据的差距涵盖在实验点的范围内. 从图3可以看出,暗电流和光照电流与电压的关系都显现出良好的直线关系,这意味着它们都表现出良好的欧姆特性.此外,随着膜厚的增加,网状结构ZnO∶Al薄膜的光电流逐渐减小. 根据图1显示的薄膜的结构特征可得,随着膜厚的增加,网状薄膜的比表面积减小,即网状薄膜的表面积随膜厚的增加而减小. 因此,可以考虑,薄膜的表面积对其光电导特性具有显著地影响,表面积越大其光电导特性越显著[18]. 光灵敏度(photosensitivity)S可以表示为[19]

首先,测量网状ZnO∶Al薄膜在没有光照时的电流和电压的关系,这时测量出的电流称为暗电流.然后,打开光源,让光照射到二个银电极之间的网状结构ZnO∶Al薄膜部分上,测量其电流和电压的关系,这时测量出的电流称为光照电流. 在相同电压下的光照电流和暗电流的差值就是光电流. 每一个样品的暗电流和光照电流测量了二次. 表1、表2和表3分别给出了不同厚度的网状ZnO∶Al薄膜在不同电压下的暗电流值和光照电流值. 各表中的UId1Id2I1I2分别表示所加电压、第一次测量的暗电流、第二次测量的暗电流、第一次测量的光照电流和第二次测量的光照电流. 从各表中可看出,在相同电压下二次测量的暗电流值之间以及二次测量的光照电流值之间相差不大,只有较薄的网状ZnO∶Al薄膜在高电压下时二次测量的电流值之间的差距会相对大些.

本物理实验的教学内容具有以下5个特征.

第一,功率密度高、加热速度极快,零件变形极小,且可以通过热处理工艺来控制变形,工件处理后不需要修磨,可以作为零件精加工的最后一道工序。

3 实验教学的拓展

本实验教学内容可以很好地进行拓展,从而开设出具有更丰富内容的探究型实验. 把实验内容拓展到薄膜材料的制备这一领域,学生可以用溅射法制备ZnO∶Al薄膜材料,然后测量薄膜的光电导特性. 学生可以研究沉积温度、沉积速率(溅射功率)对薄膜的结构和光电导特性的影响,理解薄膜的制备条件如何影响薄膜的结构,薄膜的结构又将如何影响薄膜的物理特性,并通过查阅相关的学术文献,深入地学习和探究这些影响背后的物理机理. 这一过程就是一个典型的科学研究的过程. 学生在用溅射法制备薄膜材料时,可以学到真空技术的知识和溅射法制备薄膜的原理,还可以学到与薄膜生长相关的物理知识. 通过这一拓展的探究型实验不仅使学生学会了许多物理学和材料科学的相关知识、学会了一些实验技能,更重要的是使学生亲身经历了一次科研过程,学会了科研的思维方式,训练了学生的科研能力. 在整个实验过程中,学生是主体,教师是主导. 教师一定要在科研思维的方式上对学生给予指导,积极提升学生对实验的兴趣,积极启发学生探究实验结果背后的物理机理,最大限度地调动学生的积极性.

众所周知,薄膜制备过程需要较长的时间,本实验所使用的直流磁控溅射镀膜装置具有预真空室,可以保证在放置衬底和取出制备的薄膜时不破坏镀膜室的真空度,这样就大大减少了薄膜的制备时间(主要是镀膜室达到一定真空度所用时间),通常,用45分钟左右就能够完成190 nm厚的薄膜样品的制备,从而提高薄膜的制备效率和实验效率. 但是,由于直流磁控溅射镀膜装置中有镀膜室和预真空室二套真空系统,操作起来比较复杂. 因此,学生在短时间内完全掌握这一溅射镀膜装置的操作方法,具有一定的难度,特别是对于大一和大二的学生来说,更是非常大的挑战. 为了解决这一问题,结合我们以前的工作[15,20],我们正在考虑使用KYKY制造的SCB-12小型直流溅射仪制备网状结构ZnO∶Al薄膜,相关的一些工作还需要进一步完成. 如果使用SCB-12小型直流溅射仪制备网状结构ZnO∶Al薄膜成功的话,这样既大大减少薄膜的制备时间又降低了镀膜仪器的操作难度,从而最大限度地提高了探究型实验的实验效率.

调查资料显示,自2007年广东华中科技大学工业技术研究院孵化器成立,到2012年底,共计才有6家孵化器企业建立,而2013年一年就创设成功6家,且每年都有新的孵化器企业创建,呈井喷状态。说明近3年来,相关政策落实到位,有关部门工作经验丰富成熟,招商引资招商引智平稳有序。因此,在国家政策稳定没有大的变化前提下,政府相关部门不宜进行结构性和原则性的政策变动,若实在有必要调适政策,也不能伤筋动骨大刀阔斧,只能采取稳步推进,在调查研究的基础上,适当补充和完善。

4 结论

把“半导体薄膜光电导效应”的实验引入到探究型物理实验教学中,进一步丰富了已有的物理实验教学的实验项目,通过合理地编排实验内容,不仅可以使学生学会物理知识和实验技能,还可以训练学生的科研能力. 实验内容具有较宽的拓展空间、贴近高新技术领域中的实际应用,有助于提高学生的学习兴趣. 此外,本文还总结了从科研成果转化成为物理实验教学的实验内容应该具备的5个基本的特点.

向10 g泡菜中加入90 mL无菌水,充分振荡,采用梯度稀释进行稀释,稀释度为101~108。吸取0.2 mL稀释液涂于含有0.5% CaCO3的改良MRS固体培养基上,30 ℃厌氧箱中培养2~5天,观测菌落形成情况。选取有钙圈生成的菌落,挑取单菌落,反复进行划线分离直至获得纯菌落。

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邱宏,赵雪丹,于明鹏,吴平
《大学物理》 2018年第05期
《大学物理》2018年第05期文献

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