薄膜物理中厚度測量的教學(xué)設(shè)計與探索*

金克新 陳云海 王海鵬

(西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710072)

2020年10月,中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《深化新時代教育評價改革總體方案》中提出構(gòu)筑在“新工科”建設(shè)背景下的大類人才培養(yǎng)模式．在此形勢下如何實現(xiàn)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐、求創(chuàng)新”的培養(yǎng)特色,并根據(jù)課程的具體內(nèi)容進行科學(xué)合理的教學(xué)設(shè)計、吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生深刻學(xué)習(xí)課程知識,是每一位教師應(yīng)當(dāng)面對、思考和探索的問題．在“十四五”期間,國家將加快發(fā)展新一代信息技術(shù)、新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),這將涉及集成電路、光電子器件、磁性材料和器件、新型太陽能電池等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,其核心關(guān)鍵技術(shù)與薄膜科學(xué)相關(guān),并受到人們越來越多的重視[1]．在薄膜科學(xué)研究中,厚度的實時監(jiān)測及精確測量尤為重要,因此在課程教學(xué)中,需要強化薄膜厚度概念和測量的內(nèi)容．

早在西漢戴圣的《禮記·學(xué)記》中指出“知不足,然后能自反也;知困,然后能自強也．故曰:教學(xué)相長也．”在教書育人中,教學(xué)相長是一個關(guān)鍵的過程,然而通常注重“教”的環(huán)節(jié)和課程所要講授的內(nèi)容,卻忽略了學(xué)生在“學(xué)”上的主動性[2-3]．這樣的教學(xué)過程是一個單向的知識“灌輸”過程,雖然能讓學(xué)生直接從中獲益,簡捷而高效,但學(xué)生卻完全處于被動狀態(tài),難以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)生的思考．本文以薄膜厚度教學(xué)設(shè)計為例,圍繞“學(xué)”來展開教學(xué),以問題為導(dǎo)向,講授薄膜厚度的重要性、如何測量、測量將面臨的難題以及如何解決難題等,充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性．同時在教學(xué)過程中引入科學(xué)前沿和思政元素,達到“教書”與“育人”的雙重目的．

1 教學(xué)設(shè)計思路

1.1 教學(xué)目標

物理知識傳授：認識薄膜厚度的重要物理意義,掌握薄膜厚度的概念及其測量原理和方法,夯實學(xué)生的基礎(chǔ)知識．

科學(xué)思維培養(yǎng)：以問題為導(dǎo)向,引入科學(xué)前沿,拓展學(xué)生思維的深度及廣度,提升學(xué)生的科學(xué)思維能力．

思想素質(zhì)教育：結(jié)合我國薄膜科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀,把愛國主義和責(zé)任擔(dān)當(dāng)融入課堂教學(xué)中,激勵學(xué)生將個人的理想追求融入到國家和民族的事業(yè)中．

1.2 教學(xué)過程

教學(xué)設(shè)計思路如圖1所示,以薄膜領(lǐng)域的科學(xué)前沿為牽引,引入薄膜測厚主題,吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;進一步通過錫紙測厚的例子,講述厚度測量的基本原理和物理思想,進而引出薄膜測厚的方法和原理,提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì);結(jié)合我國薄膜科學(xué)的現(xiàn)狀,合理引入思政元素,增強學(xué)生的社會責(zé)任感和使命感．

圖1 教學(xué)設(shè)計思路圖

2 教學(xué)過程設(shè)計

2.1 以科學(xué)前沿為牽引 講授“薄膜厚度的重要性”

LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)異質(zhì)界面是一種備受關(guān)注的體系,探索LAO/STO異質(zhì)界面的新奇物理現(xiàn)象,對未來新型氧化物電子學(xué)和器件的應(yīng)用具有非常重要的意義．其中LAO的厚度是一個重要的物理參量,且存在一個約為4 uc(unit cell,晶胞)的臨界厚度．以問題形式向?qū)W生展示有關(guān)LAO/STO界面物性的厚度依賴實驗結(jié)果．圖2是不同厚度LAO/STO界面電導(dǎo)率的數(shù)值,可以看到,當(dāng)LAO薄膜厚度小于4 uc時,界面電導(dǎo)率很?。?dāng)厚度大于4 uc時,其電導(dǎo)率有幾個數(shù)量級的提升,表現(xiàn)為金屬導(dǎo)電性．同一種材料,僅僅是在厚度上的微小差異,卻表現(xiàn)出兩種完全不同的導(dǎo)電行為．

圖2 LAO/STO異質(zhì)界面電導(dǎo)率與LAO薄膜厚度的關(guān)系[4]

由此可見,當(dāng)厚度極小時,薄膜進入微觀尺度,會出現(xiàn)許多體材料中不存在的復(fù)雜現(xiàn)象和效應(yīng)．與體材料相比,薄膜最大的區(qū)別就在于維度,也就是厚度,其對薄膜材料的物理性質(zhì)影響很大．無論是熟知的物理量,如質(zhì)量、電導(dǎo)和光學(xué)常數(shù)(透射和折射)等,還是科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的新奇物理效應(yīng),都與薄膜厚度直接或間接相關(guān)．在薄膜科學(xué)研究中,對薄膜厚度進行實時監(jiān)測以及薄膜厚度的精確測量尤為重要．

2.2 從簡單實例出發(fā) 啟發(fā)思考“如何測量薄膜厚度”

在以上分析基礎(chǔ)上,進一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何才能測量薄膜厚度,并探討薄膜厚度的概念和測量方法的基本原理．

以錫紙為例,如何用直尺測量其厚度．顯然,不能直接通過直尺測得錫紙的厚度,但是可以通過其他方式間接得到錫紙厚度．例如,通過物體密度、體積和質(zhì)量之間的換算關(guān)系得出錫紙的厚度(圖3)．除質(zhì)量外,一個物體的厚度也可以通過測量其電阻、入射光強和光程差等物理量間接獲得(表1)．一個難以直接測量的物理量,通過測量與其關(guān)聯(lián)的另一個物理量而間接得到,這種方法為信息轉(zhuǎn)換．信息轉(zhuǎn)換是物理學(xué)中一種重要的研究方法,物理學(xué)中許多重要的物理量就是通過信息轉(zhuǎn)換的方法后才被發(fā)現(xiàn)、認識和驗證的.

圖3 錫紙厚度測量方法的物理思想

表1 幾種典型的物理量和厚度h之間的關(guān)系

如果把數(shù)張錫紙堆疊在一起,其總厚度依然很小,但是前面已經(jīng)測得了單片錫紙的厚度,因此只要知道錫紙的數(shù)量,就能得出堆疊錫紙的厚度．這就是薄膜厚度測量的第二個原理——化整為零．

對于薄膜而言,其厚度介于單原子到微米之間,許多薄膜厚度只有幾十納米甚至是幾個原子層,如此微小的尺寸,簡單的直尺等工具顯然是無濟于事的．因此就需要利用厚度和薄膜其他性質(zhì)之間的規(guī)律,通過傳感器將厚度的信息轉(zhuǎn)換為易測量的物理量,從而達到測量薄膜厚度的目的．同時薄膜從微觀上來講,也可以看作是由一層層原子層的堆疊而成,因此,通過測量薄膜原子層的數(shù)量也能得出薄膜的厚度．

2.3 講授具體實例 使學(xué)生掌握薄膜厚度測量的方法與原理

通過上述講授,學(xué)生初步掌握了薄膜厚度的基本概念、測量難點和基本原理,認識到從哪些方面出發(fā)可以獲得厚度的信息,但這些知識還無法使學(xué)生真正了解薄膜厚度的測量技術(shù)．這里選取了石英晶體測厚法和反射式高能電子衍射(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)測厚法,同時將兩種方法進行比較,讓學(xué)生掌握薄膜厚度測量方法的優(yōu)缺點以及如何針對不同類型的薄膜來選取合適的測厚方法等．

(1)石英晶體測厚法(信息轉(zhuǎn)換)

石英晶體測厚法主要是利用物體質(zhì)量與固有頻率的關(guān)系來測量薄膜的厚度,是一種常用的厚度測量技術(shù)[5]．石英晶體的質(zhì)量(m)和其固有特征頻率(f)的關(guān)系為

(1)

式中k是一個與石英晶體相關(guān)的比例常數(shù),E是石英片的彈性模量．當(dāng)石英晶體質(zhì)量改變dm時,其諧振頻率改變量為

(2)

(3)

假設(shè)石英片鍍膜面積為S,體材料密度為ρ,鍍膜過程中在石英片上生長的薄膜厚度為h,那么石英片質(zhì)量改變量為

dm=ρSh

(4)

此時,若測量得到頻率改變量df,就可以計算得到薄膜的厚度為

(5)

不過,當(dāng)頻率改變量df比較大時,dm與df之間不再滿足線性關(guān)系,需要做出相應(yīng)的修正．石英晶體測厚法靈敏度高,操作簡便,可以測量金屬、半導(dǎo)體和介質(zhì)膜的厚度,但由于計算中的密度是塊體密度,與實際薄膜的密度有一定差別,所以計算結(jié)果會有一些誤差．

(2)RHEED測厚法(化整為零)

從微觀角度看,如果知道薄膜的單個原子層厚度和原子層數(shù),就能得到薄膜的厚度．RHEED測厚法就是基于這種原理的厚度測量技術(shù)．RHEED的工作原理主要是電子的衍射行為[6],晶體原子在空間中周期性有序排列,電子束入射到晶體點陣時會發(fā)生散射,當(dāng)入射電子束滿足勞厄方程時,則會發(fā)生衍射現(xiàn)象,形成衍射圖案,勞厄方程表示為

kf-ki=Gn

(6)

其中ki為入射電子束波矢,kf為反射電子束波矢,Gn為薄膜晶體的倒格矢．圖4為RHEED測量薄膜厚度的示意圖,薄膜以層狀生長,電子槍發(fā)射出能量為5～100 keV的電子束,并以1°～4°的角度掠射至薄膜樣品表面[7],電子在薄膜表面發(fā)生衍射并在熒光屏上成像．衍射圖案信息經(jīng)由電荷耦合器(CCD)收集并傳輸?shù)诫娔X端,就能夠獲得衍射強度和衍射圖像等信息．

圖4 RHEED工作原理圖

由于衍射強度對表面粗糙度很敏感,薄膜表面光滑時衍射強度最大,衍射圖案最清晰．而當(dāng)薄膜表面不平整時,衍射強度則會降低．衍射強度I和樣品表面覆蓋率R呈如下關(guān)系[8]

I∝n4(1-2R)2

(7)

式中N為薄膜表面原胞數(shù)．當(dāng)薄膜表面覆蓋率R=0或1時,入射束發(fā)生鏡面反射,衍射強度最大;當(dāng)R=0.5時,入射束發(fā)生漫反射,衍射強度最?。畧D5為樣品表面覆蓋率R分別為0、0.5和1的衍射情形．

圖5 不同表面覆蓋率的衍射情形

圖6是在STO基底上沉積LAO薄膜時記錄的RHEED 強度振蕩曲線(右上角是薄膜沉積后的衍射圖像),當(dāng)樣品一層一層地連續(xù)生長時,衍射強度呈現(xiàn)周期性振蕩,每一次振蕩對應(yīng)完整的一個原子層．通過觀察衍射強度的振蕩次數(shù),就可以知道薄膜沉積的原子層數(shù)．

圖6 LAO/STO異質(zhì)界面制備過程中的RHEED監(jiān)控曲線及衍射圖像[9]

RHEED測厚法簡潔靈敏、應(yīng)用廣泛,在測量薄膜厚度的同時,還能實時監(jiān)測薄膜生長的情況,而且與石英晶體法等測厚方法相比,不會因為薄膜和體材料的性能差異而產(chǎn)生誤差．但是這種方法只適用于層狀生長的薄膜,無法測量島狀生長的薄膜．

2.4 引入思政元素 達到“教書”與“育人”雙重目的

作為學(xué)生的引路人,在教學(xué)過程中教師所要做的不僅是知識的傳播,更要注重對學(xué)生人格和思想品德的塑造．因此在薄膜厚度測量的教學(xué)過程中,學(xué)生要學(xué)的不僅是薄膜厚度測量的原理方法,更要學(xué)習(xí)這些知識背后對國家發(fā)展的重要意義．

在講到薄膜的發(fā)展前景和意義時,與國家的政策和形勢等聯(lián)系起來,培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)研究中的家國情懷和社會責(zé)任感．當(dāng)今時代,我國科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展,在許多科學(xué)領(lǐng)域中取得了矚目的成就,然而在基礎(chǔ)理論、新型電子器件等方面依然面臨著“卡脖子”技術(shù)問題．因此,需要積極響應(yīng)國家科技創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略,緊跟科學(xué)前沿,在薄膜科學(xué)領(lǐng)域取得更大的進展．對于高校大學(xué)生而言,更要刻苦鉆研、夯實基礎(chǔ),樹立將科學(xué)研究與國家戰(zhàn)略需求相結(jié)合的理念,為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興做出自己的貢獻．

3 總結(jié)

總之,我們在薄膜厚度測量的教學(xué)過程中,以科學(xué)前沿為牽引,以問題為導(dǎo)向,吸引學(xué)生的興趣,從簡單的生活實例到復(fù)雜的科學(xué)實驗,讓學(xué)生掌握了薄膜厚度測量原理和方法的同時,也讓學(xué)生深刻理解了“信息轉(zhuǎn)換”和“化整為零”的物理思想．最后將思政元素融入課堂,引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀,實現(xiàn)“教書”與“育人”的雙重目標．