《固体物理实验》课程教学大纲

《固体物理实验》课程教学大纲

一、课程基本信息

1、课程编码：U04M21270

2、课程名称（中/英文）：固体物理实验 / Experiment of solid-state physics

3、学时/学分：16 /1

4. 实验项目数：4

5、先修课程：材料科学基础

6、开课单位：材料学院

7、开课学期：春

8、课程类别：学科基础课程

9、课程简介（中/英文）：

《固体物理实验》是材料科学与工程专业纳米材料与无机非金属材料方向本科生的学科基础课程，着重运用所学的晶体学、光谱学等方面的基础理论及专业基础理论知识，配合以现代表征测试方法，阐明如何从实践角度分析研究无机纳米材料的晶体结构、分子振动、结晶度等最基本的物理参量，基于多个具体实例的研究突出共性也兼具个性，为进一步学习材料结构与性能等方面的课程打下坚实的实践基础。

The course of " Experiment of solid-state physics" is a basic course in discipline for undergraduates majoring in nanomaterials and inorganic nonmetallic materials. It focuses on how to learn and analyze the basic physical and crystallographic parameters of inorganic and nanomaterials such as crystal structure, molecular vibration, crystallinity and so on using experimental instruments based on the learned basic theory and professional basic theoretical knowledge. It highlights the common and individual characteristics, thus laying a solid theoretical foundation for further study of the series of courses on nanomaterials and inorganic nonmetallic materials.

二、课程教学目标

课程目标1：掌握分析材料晶体结构、分子振动的共性科学基础，能够从晶体结构的角度认识不同晶化程度、分子振动的产生原因，学习利用普遍科学原理去认识材料的结构与基本性质。

课程目标2：了解晶体物理、材料振动、材料光谱等的科学研究方法和发展前沿，如针尖增强拉曼光谱分析等，掌握常用固体物理研究方法在纳米材料、无机非金属材料、复合材料等专业方向上的应用。

课程目标3：能够按照实验设计方案，选择合适的实验、模拟、分析和测试等方法开展实验研究，获取相关数据。

课程目标4：能够科学整理实验数据，客观分析和解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。

课程目标5：学习不同测试手段研究分子振动得方法，对比获得各自优缺点，掌握不同测试方法的局限性。

三、教学内容及教学要求

实验一：碳材料的XRD图谱分析 （支撑课程目标1，2，3，4，5）

内容：

1 测试不同制备温度制得的碳材料的XRD图谱，对比总结不同图谱信息的差异，包括峰形、峰位、峰的数量等；

2 利用布拉格定律和谢乐方程计算碳材料中微晶尺寸d₀₀₂和Lc；

3 对比分析不同结晶度的微晶尺寸特征，结合“长程无序、短程有序”的晶体结构知识，画出不同温度制备碳材料的结构示意图。

要求：

1 了解XRD测试中是如何利用布拉格定律分析晶体结构。

2 掌握材料结晶度、XRD图谱特征、微结构模型之间的对应关系。

实验二：陶瓷材料的定性与定量XRD分析 （支撑课程目标1，2，3，4，5）

内容：

1 将烧结SiC陶瓷块体放置于测试台上，研究其放置位置对XRD图谱的影响；

2 将SiC和ZrB₂复合粉体放置于测试台上，测试其XRD图谱，利用Match软件分析其物相组成；

3 选择不同PDF卡，获得不同的SiC和ZrB₂相组成的分析结果，对比差异，并简单分析差异原因。

要求：

1 掌握晶粒择优取向对XRD图谱的影响；

2 复合材料相结构与组成的分析方法；

3 了解多用途表征手段在研究材料相组成中的必要性。

实验三：Raman光谱分析材料与结构的物理基础及影响参数 （支撑课程目标1，2，3，4，5）

内容：

1 学习Raman光谱分析材料及其结构的物理基础；

2 实验测试硅和不同结晶度碳材料的Raman光谱，对比不同材料及同种材料、不同结晶度对Raman光谱；

3 实验测试不同激光强度、波长对荧光背底的影响。

要求：

1 掌握Raman效应的产生过程、Raman光谱信息与材料结构特征的对应关系；

2 理解消除Raman光谱荧光背底的基本思路与操作。

实验四：Raman光谱与分子振动 （支撑课程目标1，2，3，4，5）

内容

1 举例学习不同分子振动产生不同的Raman峰；

2 实验测试单壁和多壁碳纳米管的Raman光谱，对比差异并分析原因；

3 实验测试碳材料不同种类缺陷的Raman光谱，结合TEM分析结果，说明不同缺陷对应的分子振动对碳材料Raman光谱D模的影响。

要求：

1 掌握利用Raman光谱分析分子振动的一般过程；

2 了解碳材料中不同结构缺陷、不同分子振动的Raman辨识方法。

四、思政育人

1. 育人目标：要教育引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，认清时代责任和历史使命，并能所学知识转化为内外德行，充分发挥课堂育人主渠道的功能。

2. 教学内容：1）培养学生团队合作意识；2）以经典材料学科励志人物、事件启发学生的爱国及刻苦奋斗精神；3）实验分析中注重理论联系实际、尊重实验数据、客观，辩证地分析实验数据。

3. 教学方法：小组实验教学，优化学生之间的分工合作，启发学生自行设计、自行组队实验等。

五、各教学环节学时分配

六、实验安全事项

1．实验时应先了解仪器设备的型号规格、操作规程及注意事项，在未了解清楚前切勿任意动用。

2．实验过程中，应听从指导，细心操作，仔细观察，认真思考，严格记录。

3．实验时应注意技术安全，并保持室内安静，不得高声喧哗。

4．爱护国家财产，节约水电，与本次实验无关的一切仪器设备严禁擅自乱动。

5．仪器设备如有故障及损坏，应立即报告指导教师，切勿擅自拆修或隐瞒不报。

6．注意室内整洁，仪器设备完毕后应恢复原状，并清扫实验现场。

七、主要教材及教学参考书（包括实验指导书）

八、实验报告要求

1．实验报告要求整洁，数据要表格化，曲线图应画得规整，测试图片需要标注好图号和注释信息，报告内容力求简明扼要，文字一律用钢笔或签字笔书写。

2．按时上交实验报告，不得无故拖延。实验报告发回后要妥加保存，不得丢失。

九、使用的主要仪器设备说明

十、主要消耗材料

1. 药品：无水乙醇。

2. 耗材：石英基片、剪刀、一次性手套、胶带等。

十一、考核方式及成绩评定