“薄膜材料及其制備技術(shù)”課程科教融合模式探索

摘"要：科教融合是高校培養(yǎng)人才的重要理念?！氨∧げ牧霞捌渲苽浼夹g(shù)”作為理工類課程，需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，將科研成果和育人理念融入教學(xué)，以期實(shí)現(xiàn)理工類課程立德樹人的目的。本文主要在課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前科技前沿，同時(shí)結(jié)合時(shí)代背景，積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)先進(jìn)前沿的薄膜材料及技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，開展科教融合的教學(xué)模式探索。在理想信念、精神品質(zhì)、學(xué)科知識(shí)、思維能力等方面，積極將能力培養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)傳授融合，以期實(shí)現(xiàn)科教融合。

關(guān)鍵詞：科教融合；薄膜材料；立德樹人

當(dāng)今國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈，我們要探索先進(jìn)技術(shù)，開辟新領(lǐng)域，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，根本上要依靠科技創(chuàng)新。薄膜材料廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、航空航天產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，隨著科技進(jìn)步發(fā)展非常迅速。同時(shí)，近年來，光伏、風(fēng)電、輸變電及新能源行業(yè)市場(chǎng)容量穩(wěn)步增長(zhǎng)，為薄膜材料行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。當(dāng)前新工科背景下，材料類專業(yè)課“薄膜材料及其制備技術(shù)”應(yīng)緊密結(jié)合科技及應(yīng)用前沿進(jìn)行教學(xué)。課程內(nèi)容包括真空技術(shù)、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、薄膜的生長(zhǎng)以及薄膜結(jié)構(gòu)、薄膜性能測(cè)試技術(shù)和表征方法?！氨∧げ牧霞捌渲苽浼夹g(shù)”課程的開設(shè)旨在引導(dǎo)學(xué)生了解薄膜材料和薄膜技術(shù)的發(fā)展，了解薄膜制備的基礎(chǔ)——真空技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，掌握薄膜沉積的技術(shù)體系及制備方法，能夠在薄膜沉積中綜合考慮不同因素的影響，如制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜在襯底上的附著力，薄膜結(jié)構(gòu)及厚度均勻性的影響，并掌握薄膜結(jié)構(gòu)、性能的多種表征技術(shù)，為將來開展薄膜材料的制備以及應(yīng)用研究等打下基礎(chǔ)。

當(dāng)前社會(huì)發(fā)展突出科技創(chuàng)新引領(lǐng)，需要加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。因此，在應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和支撐世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的新時(shí)代背景下，科教融合教學(xué)模式至關(guān)重要［1］。因此，在“薄膜材料及其制備技術(shù)”課程中，從教學(xué)過程中探索挖掘可結(jié)合的專業(yè)知識(shí)，將科研成果、能力培養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)傳授融合，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，樹立科學(xué)的人生觀和價(jià)值觀，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，建立文化自信，樹立社會(huì)責(zé)任感和時(shí)代使命感［2］。課程主要內(nèi)容包括薄膜材料及其技術(shù)發(fā)展概況真空技術(shù)基礎(chǔ)、薄膜制備方法、薄膜材料生長(zhǎng)機(jī)制、薄膜表征、薄膜的性質(zhì)及應(yīng)用。本文主要探索在課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前科技前沿進(jìn)行科教融合的教學(xué)模式。

1"概述

薄膜材料的研究及技術(shù)發(fā)展起源于17世紀(jì)，之后隨著技術(shù)的發(fā)展及各種應(yīng)用的興起，薄膜技術(shù)得到了迅速的拓展。特別是20世紀(jì)50年代，隨著電子工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的興起，薄膜材料及其技術(shù)顯示出其特有的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮了重要作用。當(dāng)今社會(huì)，航空航天、能源、信息、交通等各個(gè)領(lǐng)域，都可以看到薄膜材料的參與。因此，薄膜材料在推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步、技術(shù)發(fā)展的方向起到不可或缺的作用。薄膜材料也在向綜合、智能、復(fù)合、環(huán)境友好、節(jié)能長(zhǎng)壽以及納米化方向發(fā)展，它對(duì)整個(gè)材料的發(fā)展起到了推動(dòng)和促進(jìn)的作用［3］。目前，全球薄膜沉積設(shè)備主要由歐美和日本廠商壟斷市場(chǎng)，他們經(jīng)驗(yàn)豐富，因此市場(chǎng)集中度較高。薄膜沉積設(shè)備行業(yè)壁壘高，海外廠商成立較早，在薄膜和工藝方面不斷突破，技術(shù)發(fā)展較快，行業(yè)集中度較高。因此，我們要加緊步伐，致力于關(guān)鍵核心技術(shù)難題的突破，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)自主可控，打破歐美以及日本的壟斷。通過薄膜產(chǎn)業(yè)相關(guān)背景知識(shí)的介紹，引導(dǎo)學(xué)生了解國(guó)際形勢(shì)，把握基本國(guó)情，關(guān)心國(guó)家大事，關(guān)注科技前沿，認(rèn)清在全球化背景下我國(guó)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)；樹立使命感和責(zé)任感，苦練基本功、樹立報(bào)國(guó)志，把實(shí)現(xiàn)人生理想同祖國(guó)的需要結(jié)合起來，為將來走出校園，投入社會(huì)主義建設(shè)做好準(zhǔn)備。

2"真空技術(shù)基礎(chǔ)

薄膜的制備需要獲得真空，真空的獲得需要借助真空泵。通常從大氣壓開始抽真空，得到所需要的真空度往往需要2～3種真空泵組合起來構(gòu)成真空排氣系統(tǒng)。例如，采用機(jī)械泵和吸附泵等前級(jí)泵從一個(gè)大氣壓開始抽氣獲得較低的壓力，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用次級(jí)泵從較低的壓力抽到更低壓力下的真空［3］。基于此，可以切入“合作意識(shí)”的教育。2023年，博鰲亞洲論壇年會(huì)提出“不確定的世界：團(tuán)結(jié)合作迎挑戰(zhàn)，開放包容促發(fā)展”的主題，可見團(tuán)結(jié)合作是發(fā)展的趨勢(shì)。同樣，在科研過程中大協(xié)作、大聯(lián)合也是獲得科技成果突破的法寶之一，合作對(duì)推進(jìn)科學(xué)技術(shù)前沿發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前科學(xué)發(fā)展條件下，科研人員的思維方式和科研活動(dòng)的組織形式日新月異。越來越多的科學(xué)工作者，科研機(jī)構(gòu)都采取合作的方式攻克研究中的難題。2017年，我國(guó)啟動(dòng)“一帶一路”科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃，和共建國(guó)家建立科技合作關(guān)系，“創(chuàng)新絲綢之路”建設(shè)欣欣向榮。近年來，與葡萄牙在海洋科學(xué)領(lǐng)域的合作越來越密切，雙方共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)科研能力互補(bǔ)，推動(dòng)了雙方海洋生物科學(xué)與技術(shù)的研究，提高了兩國(guó)海洋生物領(lǐng)域科技創(chuàng)新能力。科研合作對(duì)于加快科技創(chuàng)新起到了重要作用。此外，隨著交叉領(lǐng)域研究的興起，合作對(duì)于解決問題非常必要。當(dāng)然，在科研之外，學(xué)習(xí)生活中許多目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也需要合作來完成。因此，引導(dǎo)學(xué)生樹立合作意識(shí)，塑造團(tuán)結(jié)合作的理念，為將來進(jìn)入社會(huì)貢獻(xiàn)一己之力。

3"薄膜制備

傳統(tǒng)的薄膜制備方法包括物理和化學(xué)方法，主要涉及濺射、離子鍍、外延、化學(xué)氣相沉積等，課堂教學(xué)主要以傳統(tǒng)制備方法及其原理為主，內(nèi)容理論性強(qiáng)。因此，可以結(jié)合最新科研成果進(jìn)行介紹。2023年，Nature雜志上發(fā)表的關(guān)于制備方法的工作中，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員探索開發(fā)出一種“非外延單晶生長(zhǎng)”的方法，在工業(yè)硅晶圓上生長(zhǎng)制備出純凈的、無缺陷的二維材料，對(duì)于制造越來越小的晶體管非常有利。在此基礎(chǔ)上，該研究組制備出一個(gè)簡(jiǎn)單的過渡金屬二硫化物（TMD）晶體管，具有良好的電學(xué)性能［4］。此類研究工作可以起到為后摩爾時(shí)代探路的作用，類似地，引導(dǎo)學(xué)生在課堂之外積極查閱最新科研動(dòng)態(tài)，積極探索新方法、新技術(shù)，思考目前我們國(guó)家面臨的“卡脖子”技術(shù)問題等。此外，結(jié)合薄膜制備過程中一些基本原則進(jìn)行擴(kuò)展，比如選擇襯底的時(shí)候，除了從科學(xué)的角度上需要遵循一定的原則，還必須結(jié)合實(shí)際應(yīng)用、成本、工藝等現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行綜合考慮。在材料、物理方面的知識(shí)之外，工藝費(fèi)用、環(huán)保健康因素、效率等則涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境和人文社科方面的知識(shí)?，F(xiàn)代社會(huì)中，工業(yè)技術(shù)問題通常是多種因素共同作用的結(jié)果，僅靠單一學(xué)科的知識(shí)往往很難解決，需要融合多學(xué)科知識(shí)。在介紹基本的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)時(shí)，比如處理襯底時(shí)，為什么對(duì)看似潔凈的襯底仍然需要按照步驟一步一步進(jìn)行清洗？在清洗的時(shí)候，選擇合適濃度的清洗液刻蝕液，處理的時(shí)間嚴(yán)格按照清理原則進(jìn)行，才可以避免由于清洗不到位對(duì)于后續(xù)薄膜的生長(zhǎng)帶來的影響，引導(dǎo)學(xué)生在科研過程中注重細(xì)節(jié)，打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，打造精益求精的工匠精神。

4"薄膜材料的形核、生長(zhǎng)及表征

在薄膜形核與生長(zhǎng)的教學(xué)中，學(xué)生需要掌握薄膜生長(zhǎng)過程中主要的影響因素，設(shè)計(jì)調(diào)整工藝參數(shù)去制備需要的薄膜。通過對(duì)基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)劃分的薄膜生長(zhǎng)模式的介紹，引導(dǎo)學(xué)生自主分析問題，培養(yǎng)獨(dú)立思考并解決問題的能力。在薄膜生長(zhǎng)機(jī)理的探索中，科學(xué)工作者通過大量的實(shí)驗(yàn)，建立模型，反復(fù)驗(yàn)證。但是，由于實(shí)驗(yàn)上遇到的困難以及理論中參數(shù)有效性的不確定性，成核理論還需要繼續(xù)完善，大量系統(tǒng)的工作還有待完成。通過對(duì)理論提出、發(fā)展過程的介紹，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)探索精神。

薄膜表征的教學(xué)中，以磁性薄膜為例，該類薄膜應(yīng)用于磁存儲(chǔ)介質(zhì)及磁傳感器中，可用于計(jì)算機(jī)硬盤、磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等電子信息器件中，對(duì)于信息安全、保護(hù)等非常重要。清晰地解析樣品的磁結(jié)構(gòu)，是研究磁性的基礎(chǔ)。磁性薄膜的分析需要反射譜儀，分析磁性薄膜的反射中子的特性是準(zhǔn)確地描繪出各層的磁性分布的有效手段。國(guó)際上的散裂中子源對(duì)反射譜儀的建設(shè)十分重視。在我國(guó)譜儀建設(shè)的過程中，譜儀科學(xué)家朱濤的經(jīng)歷值得學(xué)習(xí)。作為譜儀科學(xué)家，形成自己的研究興趣、具有獨(dú)立的研究能力以及完整的研究經(jīng)歷，有助于更好、更有效地與用戶溝通，幫助指導(dǎo)用戶利用譜儀進(jìn)行研究，產(chǎn)出高水平高質(zhì)量的研究成果［5］。

5"薄膜的性質(zhì)及應(yīng)用

不同的薄膜有不同的性質(zhì)及應(yīng)用。比如半導(dǎo)體器件、集成電路中使用的各類材料，導(dǎo)電材料與介質(zhì)薄膜材料，超導(dǎo)薄膜材料，光學(xué)薄膜材料，智能薄膜材料等。根據(jù)應(yīng)用、功能的不同，需要對(duì)薄膜材料進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，測(cè)定各種特性和效應(yīng)。結(jié)合科學(xué)前沿，向?qū)W生介紹薄膜的性質(zhì)應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生在這些前沿科技上拓展、調(diào)研。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)基于仿生結(jié)構(gòu)制備出了高性能透明可折疊薄膜，研究表明該薄膜的力學(xué)、熱力學(xué)和光學(xué)特性優(yōu)異，可用于精密光學(xué)器件和柔性電子器件領(lǐng)域，基于該薄膜制備了近場(chǎng)通信電路電子器件。清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊(duì)利用具有超薄單原子層厚度以及其優(yōu)異導(dǎo)電性能的石墨烯薄膜，首次制備出具有良好電學(xué)性能的亞1納米柵極長(zhǎng)度的晶體管。美國(guó)斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究展示了一種多層薄膜傳感器，可應(yīng)用于人造電子皮膚，邁出了模仿人類皮膚的關(guān)鍵一步。人造皮膚由不同的功能層組成，每層功能層薄膜厚度可薄至1微米，甚至更薄。因此，10層或更多功能層堆疊在一起的厚度不超過一張紙。該傳感器充分利用了不同功能層材料不同的特性，如感應(yīng)熱、外力等特性，可以分別對(duì)溫度、壓力感應(yīng)［6］。

6"薄膜與社會(huì)熱點(diǎn)

新一輪能源危機(jī)已經(jīng)逐步上演，應(yīng)對(duì)該危機(jī)已成為全球性問題。2023年博鰲新型電力系統(tǒng)國(guó)際論壇提出“開放·合作·共享，推進(jìn)能源綠色低碳發(fā)展”的主題，探索新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑，以實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)。近幾年，美、歐等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均將薄膜太陽能列入戰(zhàn)略發(fā)展方向，加緊布局技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。因此，作為新時(shí)期的學(xué)生，可以增強(qiáng)理論知識(shí)儲(chǔ)備，多了解新能源技術(shù)如薄膜太陽能技術(shù)等。

同時(shí)，隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，引發(fā)的系列環(huán)境問題日益嚴(yán)重，成為人類關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。其中包括氣體污染，其加劇導(dǎo)致了全球氣溫的升高。在減少產(chǎn)生污染氣體的基礎(chǔ)之上，將現(xiàn)有排放系統(tǒng)中的這類氣體捕獲下來，阻止其排放到大氣環(huán)境中，也是減少大氣污染的重要方式。在捕獲這些氣體時(shí)，薄膜分離材料能實(shí)現(xiàn)高效的氣體分離，故能成為助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段。Metalorganic"Framework（MOF）薄膜是其中強(qiáng)有力的候選者。近期，蘇州大學(xué)副教授劉琦及其合作者通過探索合成方法，將MOF薄膜的厚度降低到理論極限值，發(fā)表了目前公開報(bào)道中最薄的MOF薄膜，其單一晶胞的厚度僅有2nm。該MOF薄膜具備分子篩分的能力，能用于分離氣體。并且該方法具有較好的普適性，為MOF極薄薄膜的發(fā)展提供新思路［7］。同時(shí)，可以結(jié)合該研究背后的事跡，研究者對(duì)如何確定課題，如何解決實(shí)驗(yàn)制備、表征中遇到的難題，最后如何成功發(fā)表該工作進(jìn)行介紹，增加學(xué)生的科研經(jīng)驗(yàn)值，培養(yǎng)其科研能力。

結(jié)語

高等教育不僅要滿足當(dāng)前國(guó)家關(guān)鍵領(lǐng)域急需人才培養(yǎng)的需求，還必須系統(tǒng)謀劃、統(tǒng)籌全局，培養(yǎng)未來科技領(lǐng)軍人才及大批高素質(zhì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，因此，貫徹和實(shí)施科教融合的教學(xué)模式至關(guān)重要?！氨∧げ牧霞捌渲苽浼夹g(shù)”等理工類課程的教學(xué)，需要結(jié)合時(shí)代背景，切實(shí)提高課程內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)延伸，在理想信念、精神品質(zhì)、學(xué)科知識(shí)、思維能力等方面，積極將能力培養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)傳授融合。除了課堂上教師的介紹，課外也需要積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)先進(jìn)的、前沿的薄膜材料及技術(shù)等調(diào)研，了解目前薄膜領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，從文獻(xiàn)或者新聞中獲得知識(shí)，從而在實(shí)現(xiàn)理工類課程立德樹人目的的基礎(chǔ)上，有效地實(shí)現(xiàn)科教融合。

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［7］LIU"Q，MIAO"Y，VILLALOBOS"L"F，et"al.Unitcellthick"zeolitic"imidazolate"framework"films"for"membrane"application［J］.Nat"Mater，2023（22）：13871393.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：12374093，52122205，52072324）；湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：2023JJ30592）

作者簡(jiǎn)介：鄭帥至（1984—"），女，漢族，福建莆田人，博士，副教授，主要從事功能材料與器件研究。

*通訊作者：廖敏（1983—"），男，漢族，湖南衡陽人，博士，教授，主要從事鐵電存儲(chǔ)器和氧化物半導(dǎo)體器件研究。