材料物理综合实验实验指导书

1、材料物理综合实验实验指导书福建师范大学物理与能源学院2016-9-29实验6 TiO2薄膜的制备和微细加工、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、发现问题、分析问题以及实践解决问题能 力，通过本实验教学要求达到如下具体目的：1 .用溶胶凝胶法法制备TiO2光学薄膜；2 .学习紫外掩膜辐照光刻法制备TiO2微细图形；3 .微细图形结构及形貌分析表征。、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案，独立完成TQ2溶胶及其凝胶薄膜的制备、微细图形的加工及结构和形貌表征等实验过程，的后对实验数据进行分析和处理，写出实验报告。本实验具体分为如 下几个阶段：1

2、 了解溶胶凝胶制备薄膜的原理；2 了解常见的微细加工方法；3 充分调研文献资料，确定实验方案；1 .实验制备和数据分析。(1)制备出感光性的TiO2凝胶薄膜，掌握制备工艺；(2)对TiO2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照；(3)制备出TiO2微细图形并进行热处理；(4)测试TiO2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。三、实验仪器设备和材料清单1 .紫外点光源、马弗炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器，紫外可见光分光光度计，台阶仪等。2 .提供制备TQ2材料的前驱物，溶剂等。四、实验过程1 .在教师指导下学生查阅有关文献，了解溶胶凝胶制备薄膜的原理和光刻成型技术原理；2 .设计TiO2薄膜的制备工艺

3、，交指导教师审查；3 .在教师指导下，遵循实验设计工艺进行溶胶和薄膜制备；4 .在教师指导下，进行微细图形加工；5 .对微细图形进行结构和形貌分析表征；6 .总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求1 实验之前仔细阅读设备使用手册，遵守安全操作规则；2 实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；3 可将实验分解为文献调研、溶胶和凝胶薄膜制备、微细加工和性能测试分析四个阶段，但要求制定具体的 实验安排。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：4 每个学生必须独立撰写实验报告；5 实验报告必须附上原始实验记录和实验参数；6 实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考

4、题1 根据紫外吸收峰测试，讨论所合成的感光薄膜的光分解特性；2 根据微细加工实验过程，讨论影响制备图形质量的因素，并提出改善的可行性方案。八、参考文献1盛永刚，徐耀，张磊等，溶胶凝胶法制备高折射率TiO2薄膜J,强激光与粒子束，2008, 1: :7-782顾少轩，周静，刘静等，溶胶凝胶法制备锐钛矿型TiO2薄膜J,硅酸盐通报，2001, 4： 19-213王国清，溶胶凝胶法制备TiO2薄膜及其Nb掺杂研究D,兰州大学，2011年J,光子学报，2009,4王哲哲，赵高扬，张晓磊等，硅基光波导芯层材料及波导分束器的制备9:2214-221810实验7 Cii2ZnSnS4薄膜的制备及性能研究一、

5、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、发现问题、分析问题以及实践 解决问题能力，通过本实验教学要求达到如下具体目的：1 . 了解CU2ZnSnS4薄膜太阳能电池的工作原理；2 .独立制备出CU2ZnSnS4薄膜，初步研窕化学组分与薄膜结构、形貌、性能之间的关系；3 .学会薄膜结构、形貌和光学性能的表征方法，掌握材料结构分析的基本知识；4 .掌握实验数据处理方法，并能利用Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。二、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案和参数，独立完成CU2ZnSnS4薄膜的制备、性能分析整个实验过程，最后对实验数据进行处

6、理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：1 . CU2ZnSnS4薄膜太阳能电池基本知识的讲解通过任课教师讲解，了解CU2ZnSnS4薄膜太阳能电池的发展现状，熟悉并掌握氧化物纳米颗粒法制备CU2Z nSnS4薄膜的实验方案。2 .实验制备和数据分析(1)制备出CU2ZnSnS4薄膜，掌握制备工艺；(2) CU2Z nSnS4薄膜结构、形貌和光学性能进行分析；三、实验仪器设备和材料清单1 .马弗炉、研钵、磁力搅拌器、场发射扫描电X-射线衍射仪、紫外可见分光光度计、拉曼光谱镜、仪、管式炉、样品瓶。2 .试剂：硝酸铜、硝酸锌、草酸亚锡、碳酸氢 筱。1 .在教师指导下学生查阅有关文献，了解CU

7、2ZnSnS4薄膜太阳能电池工作原理；2 .调研CU2ZnSnS4薄膜的制备方法，交指导教师审查；3 .在教师指导下，按照实验工艺进行 CU2ZnSnS4薄膜的生长；4 .在教师指导下对CU2Z nSnS4薄膜的结构、形貌和光学性能进行测试分析；5 .总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求1 .实验之前仔细阅读设备使用手册，遵守安全操作规则；2 .实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；3 .可将实验分解为文献调研、CU2Z nSnS4薄膜制备、性能测试和性能分析四个阶段。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：1 .每个学生必须独立撰写实验报告；2 .实验报告必须附上原始实

8、验记录和实验参数；3 .实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考题1 .太阳能电池的分类，简要阐述各类太阳能电池的优缺点。2 . CuaZ nSnS4薄膜太阳能电池的结构和工作原理？3 .可能影响CU2ZnSnS4薄膜性能的因素有哪些？实验8石墨烯材料的制备及其性能测试、实验目的1、熟悉并掌握利用化学法制备石墨烯的基本原理和操作步骤。2、学会石墨烯微观形貌和晶体结构的表征方法，掌握材料结构分析的基本知识；3、学会分析所制备功能材料的物理性能，并对其电学、光学和电化学性能进行表征和分析。、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案和参数，独立完成材料的制备、结

9、构和性能分析整个实验过程，最后对实验数据进行处理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：1. 了解新型纳米材料石墨烯的基本结构和优异性能，熟悉并掌握利用化学法制备石墨烯的基本原理和操作 步骤。石墨烯是一种纯碳原子在二维平面内蜂窝状结构排列的二维晶体。由于其具有的特殊纳米结构和独一 无二的优异性能，引发了世界范围的研究热潮。利用氧化还原法制备石墨烯是量产石墨烯主要手段之一。 具有原料易获得，工艺条件简便，以及产率高等特点。制备原理如图1所示，可以概括为两个步骤：制备氧化石墨烯，氧化石墨烯的还原。Gr叩hiteGraphite OxideChemicallyderived graptine图1

10、氧化石墨烯溶液还原法的分子模型2.在教师指导下，学生通过调研文献，自主设计实验方案和参数，独立完成对石墨烯表面的功能化修 饰、微观结构和性能分析。(1)对石墨烯表面进行功能化修饰，掌握制备工艺；(2)对石墨烯的形貌、晶体结构进行分析；(3)测量并分析石墨烯的电、光和电化学性能；三、实验仪器设备和材料清单DHJF-4005低温（恒温）搅拌反应浴、KQ-200KDE高功率超声波清洗机，高速大容量冷冻离心机，真空 冷冻干燥机，原子力显微镜、X射线衍射仪、综合物性测量系统、分光光度计、荧光光谱仪、电化学工作站、电池充放电系统、手套箱。四、实验过程1在教师指导下学生查阅有关文献，了解石墨烯的制备和表面修

11、饰的基本原理。2 设计石墨烯的制备和表面修饰的实验工艺，交指导教师审查；在教师指导下，按照实验设计工艺进行石墨 烯的制备和表面修饰；3 利用电子显微镜、X射线晶体衍射谱、激光拉曼谱、傅里叶红外光谱等对石墨烯的微观形貌和晶体结构进行 表征；4 学会分析所制备功能材料的物理性能，并对其电学、光学和电化学性能进行表征和分析；5 掌握实验数据处理方法，并能利用Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求1 .实验之前仔细阅读设备使用手册，遵守安全操作规则；2 .实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；3 .可将实验分解为文献调研、石墨烯制备、结构分

12、析和性能分析四个阶段，但要求制定具体的实验安排。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：1 .每个学生必须独立撰写实验报告；2 .实验报告必须附上原始实验记录和实验参数；3 .实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考题1. 热还原温度对石墨烯的结构有什么重要影响？2. 如何利用激光拉曼光谱有效地分析样品的石墨化程度、缺陷化程度？3. 石墨烯的含氧官能团对石墨烯的电学、光学性能有什么影响？八、参考文献1 K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V . Morozov, D. Jia ng, Y. Zha ng, S. V. Dubo nos, I.

13、 V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric field effect in atomically thi n carb on films. Scie nee 306, 666-669 (2004).2 A. K. Geim, K. S. Novoselov. The rise of graphe ne.Nat Mater 6, 183-191 (2007).3 V. C. Tung, M. J. Allen, Y. Yang, R. B. Kaner. High-throughput solution processing of large-scale gra

14、pheneNat Nano 4, 25-29, (2009).4Z. S. Wu, W. Ren, L. Gao, B. Liu, C. Jia ng, H.-M. Che ng. Sy nthesis of high-quality graphene with a pre-determined number of layersCarbon 47, 493-499 (2009).5G. Eda, Y. Y. Lin, C. Mattevi, H. Yamaguchi, H. A. Chen, I. S. Chen, C. W. Chen, M. Chhowalla. Blue photolum

15、inescenee from chemically derived graphene oxide. Adv Mater 22, 505-509 (2010).实验9无机上转换发光材料的制备与特性分析一、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、独立解决问题能力以及实践 动手能力，通过本实验教学要求达到如下具体目的：1 .溶胶凝胶法制备无机上转换粉体材料的原理和实验程序；独立制备出一种基于稀土掺杂的上转换材料(粉末)；2 .学会分析所制备材料的物理性能和上转换发光性能，对其晶体结构、发光特性进行表征和分析；3 . 了解光谱仪的结构和测试原理，学会分析材料的光谱；4 .

16、 了解几种稀土离子的能量传递发光机理；5 .掌握实验数据处理和分析方法，并能利用Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。二、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案和参数，独立完成粉体材料的制备、结构和性能分析整个实验过程，最后对实验数据进行处理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：1. 文献调研和实验方案设计阶段通过文献调研和任课教师讲解，在教师的指导下确定实验方案。2. 实验制备和数据分析(1)制备出上转换发光材料(粉末)，掌握制备工艺；(2)对材料晶体结构进行分析；(3)测量并分析材料的发光特性；三、实验仪器设备和材料清单1 .精密天平一台、烧杯若干、表面皿

17、若干、氧化铝地烟若干、烘箱一台、马弗炉一台、X射 线衍射仪、荧光光谱仪2 .高纯度CaCb、M。、氨水、柠檬酸，稀土硝酸盐等实验耗材。2四、实验过程1 .在教师指导下学生查阅有关文献，了解溶胶-凝胶法制备粉末材料的原理；2 .设计材料制备实验程序和参数，交指导教师审查；3 .在教师指导下，按照实验程序进行上转换发光材料制备实验；4 .在教师指导下对材料的晶体结构进行分析；5 .在教师指导下对材料的发光特性进行分析；6总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求6 .实验之前仔细阅读设备造作手册，遵守安全操作规则；7 . 实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；8 .可将实验分解为文献调

18、研、材料制备、结构分析和发光特性分析四个阶段，但要求制定具体的实验安排。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：4 . 每个学生必须独立撰写实验报告；5 .实验报告必须附上原始实验记录和实验参数；6 .实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考题7 .上转换过程是一种什么样的能量转换过程？8 .稀土离子在材料中的占位情况分析与电荷平衡机理？1能力,结构和性能X 射线衍射实验10铁性薄膜材料制备与性能分析一、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、独立解决问题能力以及实践动手 通过本实验教学要求达到如下具体目的：1 . 了解脉冲激光沉积法、溶胶

19、凝胶法等薄膜制备方法的原理和实验程序；2 .详细掌握一种薄膜制备方法的实验程序，独立制备出一种功能薄膜(如铁氧体、铁电陶瓷等)；3 .学会薄膜形貌和结构的表征方法，掌握材料结构分析的基本知识；4 .学会分析所制备功能材料的物理性能，并对其磁学、电学和光学性能进行表征和分析；10.掌握实验数据处理和分析方法，并能利用Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。二、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案和参数，独立完成薄膜材料的制备、分析整个实验过程，的后对实验数据进行处理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：1 .文献调研和实验方案设计阶段通过文献调研和任课教师讲解，

20、在教 师的指导下确定实验方案。2 .实验制备和数据分析(1)制备出功能薄膜，掌握制备工艺；(2)对薄膜表面形貌、晶体结构进行分析；(3)测量并分析薄膜的磁、电、光特性；三、实验仪器设备和材料清单1 脉冲激光沉积系统一套、溶胶-凝胶系统一套、快速热处理炉一台、原子力显微镜、 仪、综合物性测量系统、半导体特性分析仪、分光光度计。2 Si衬底、氧气等实验耗材。四、实验过程1 .在教师指导下学生查阅有关文献，了解脉冲激光沉积、溶胶-凝胶法制备薄膜的原理；2 .设计薄膜制备实验程序和参数，交指导教师审查；3 .在教师指导下，按照实验程序进行薄膜制备实验;14 .在教师指导下对薄膜结构表面形貌和结果进行分

21、析；5 .对薄膜性能进行分析；6 .总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求1 实验之前仔细阅读设备造作手册，遵守安全操作规则；2 实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；但要求制定具体的实验安3 可将实验分解为文献调研、薄膜制备、结构分析和性能分析四个阶段，排。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：1 每个学生必须独立撰写实验报告；2 实验报告必须附上原始实验记录和实验参数；3 实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考题1 薄膜生长温度对薄膜的结构有什么重要影响?2 后续退火对薄膜的微结构和性能有什么影响?实验11 一维钛氧化物纳米材料的水热合成与结构分

22、析一、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、独立解决问题能力以及实践动手能力，通过本实验教学要求达到如下具体目的：1. 水热法制备一维钛氧化物纳米材料的原理和实验程序；独立制备出一种一维钛氧化物纳米材料（粉末）;2. 学会分析所制备材料的物理化学特性，对其晶体结构和形貌特征进行表征和分析；3. 了解X射线衍射仪（XRD和电子扫描显微镜（SEM的结构和测试原理，学会分析材料的晶体结构和形貌特 征；4. 掌握实验数据处理和分析方法， 并能利用Jade理学分析软件和Origin绘图软件对实验数据进行处理和分析。二、实验内容本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验

23、方案，独立完成材料的制备、结构和性能分析整个实验过程，最后对实验数据进行处理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：1. 文献调研和实验方案设计阶段通过文献调研并设计实验方案，与任课教师讨论，确定出可行实验方案。2. 实验制备和数据分析（1） 制备出一维钛氧化物纳米材料（粉末），掌握制备工艺；（2） 对材料晶体结构和形貌特征进行分析；三、实验仪器设备和材料清单1 .精密天平一台、烧杯若干、离心杯若干、氧化铝用烟若干、水热反应釜若干套、烘箱一台、马弗炉一 台、X射线衍射仪2 .硫酸氧钛、氢氧化钠、盐酸和去离子水等实验试剂。四、实验过程1 .在教师指导下学生查阅有关文献，了解水热法制备粉末材料

24、的原理；2 .设计材料制备实验方案，交指导教师审查；3 .在教师指导下，按照实验程序进行一维钛氧化物纳米材料制备实验；4 .在教师指导下对材料的晶体结构进行分析；5 .在教师指导下对材料的形貌特征进行分析；6 .总结实验结果，撰写实验报告。五、实验要求1 .实验之前仔细阅读设备造作手册，遵守安全操作规则；2 . 实验之前认真撰写实验方案，经教师许可后方可进行实验；但要求制定具体的实3 .可将实验分解为文献调研、材料制备、晶体结构和形貌特征分析三个阶段，验安 排。六、实验报告格式及要求（另附）注意以下几点：1 . 每个学生必须独立撰写实验报告；2 .实验报告必须附上原始实验记录和实验结果；3 .

25、实验报告必须在总结实验结果的基础上提出实验改进方案。七、思考题1. 水热法的基本概念和特点？2. TiO2材料的晶相和结构？实验12材料的设计与模拟计算一、实验目的本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、独立解决问题能力以及理论分析能力， 通过本实验教学要求达到如下具体目的：1 Materials Visualizer的各种建模和可视化工具；2 了解并基本掌握密度泛函理论的基本知识，并能够基本使用 Linux操作系统下常见的密度泛函程序包的使用；3 学会利用密度泛函程序包模拟计算功能材料的物理性能，掌握材料的电子结构、磁性性质、能带结构、态 密度的计算方法并能够加进行数据处理且予以分析；4 掌握后期数