纳米材料概论教学大纲

纳米材料概论课程教学大纲课程的基本信息适应对象：物理学（应用物理）专业的本科生课程代码：16E05228学时分配：36赋予学分：2先修课程：普通物理、理论物理、高等数学、线性代数后续课程：毕业论文（设计）课程的性质与任务纳米材料学科是近几十年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。该课程是物理学（应用物理）专业学生的一门专业特色课程。本课程的目的是通过课堂教学、课堂讨论使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围；掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展。培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。三、教学目的与要求本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。教学内容与安排绪论（2课时）教学内容：纳米科技的基本内涵纳米科技的研究意义纳米材料的研究历史纳米材料的研究范畴纳米化的机遇与挑战教学要求：了解纳米科技的起源、分类、历史及与其他学科的联系。掌握纳米材料的研究对象和研究内容，熟悉纳米材料的主要分类。理解纳米结构、纳米组装体系的基本概念。纳米材料的基本效应（6课时）教学内容：小尺寸效应表面效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应库仑堵塞与量子隧穿效应介电限域效应量子限域效应教学要求：理解有关德布罗意波长、超导态的相干长度和超顺磁性等物理学概念。掌握纳米材料的八个基本效应，了解不同纳米效应的适用对象。理解纳米材料的特性与其纳米尺度之间的对应关系，并领会其作用本质。学会运用纳米效应的基本原理分析和解析纳米材料的新奇现象与特殊性质。零维纳米结构单元（3课时）教学内容：原子团簇人造原子纳米粒子教学要求：理解零维纳米材料的基本概念。熟悉零维纳米材料基本纳米效应的特点。了解单个原子、原子团簇、人造原子和纳米粒子的尺度范围。熟悉纳米粒子的主要制备方法以及不同方法的优势与劣势及了解纳米粒子的晶体结构特征和复合结构类型。理解纳米粒子产生团聚现象的本质原因，掌握抑制和消除纳米粒子团聚的基本方法。一维纳米结构单元（4课时）教学内容：碳纳米管纳米线同轴纳米电缆纳米带纳米环教学要求：了解一维纳米结构单元及其主要类型。了解碳纳米管的主要制备方法及其特点，理解碳纳米管的生长机理及其研究意义。熟悉碳纳米管的结构类型，理解不同结构类型的碳纳米管的生长机理及其研究意义。了解纳米带与碳纳米管的性能差异。二维纳米结构—纳米薄膜（4课时）教学内容：纳米薄膜的分类纳米薄膜的制备方法纳米薄膜的性能纳米薄膜的应用教学要求：知道纳米薄膜及其分类方法。熟悉纳米薄膜制备方法的分类。了解PVD制膜的基本过程，了解蒸镀、电子速蒸镀、溅射制膜以及MBE的原理和特点及应用。了解CVD、LB和SA制膜方法及其特点和原理。了解分子组装膜技术，熟悉分子组装膜技术的基本类型。了解纳米薄膜的基本性能和主要应用。三维纳米结构（3课时）教学内容：纳米复合材料的分类纳米复合材料的性能陶瓷基纳米复合材料教学要求：了解三维纳米结构及其研究范畴。了解纳米玻璃、纳米陶瓷及其制备方法、过程和应用。掌握介孔材料的合成方法、形成机制及主要应用。了解纳米金属及其分类方法和晶化技术，理解其基本效应，熟知其主要应用。纳米复合材料（5课时）教学内容：纳米复合材料的分类纳米复合材料的设计陶瓷基纳米复合材料金属基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料教学要求：掌握纳米复合材料的定义和分类方法。熟悉纳米复合材料的功能设计、合成设计和稳定性设计原理。了解无机/有机纳米杂化材料及其定义与区别。了解陶瓷基、金属基纳米复合材料的概念及其制备方法。了解纳米插层复合原理以及层状硅酸盐黏土的表面修饰改性方法。理解聚合物基纳米复合材料的性能特点，掌握聚合物纳米复合材料的力学性能及聚合物基纳米复合材料的含义和其分类与主要制备方法。纳米组装体系（5课时）教学内容：人工组装纳米加工分子自组装分子器件分子机器教学要求：掌握纳米组装、人工组装和自组装的相关原理及流程，熟悉单原子操纵及分子操纵。理解纳米器件与微电子器件的区别。掌握AFM和STM显微电子器件的工作原理。了解分子识别、分子自组装及其方式。了解超分子及其主要合成技术，熟悉分子器件及其类型和驱动形式。了解分子机器及其主要类型，理解分子器件的作用机制及工作原理。纳米测量与表征（4课时）教学内容：纳米测量技术纳米材料表征教学要求：了解纳米测量技术的分类和研究内容。熟悉常见的电子显微测量技术，了解TEM、SEM和SPM的纳米表征对象。了解和掌握STM、AFM和NSOM的基本工作原理及之间的联系与区别。了解三种常见的衍射测量技术及其测量内容和对象。了解常见的谱学测量技术及纳米材料表征的意义，掌握纳米材料结构和性能的主要表征特征。了解纳米材料粒度分析、形貌分析和相结构分析方法。了解常用的表面和界面分析方法及其测量对象。五、教学设备和设施使用多媒体教学设备六、课程考核与评估考核方式：课程论文。期评成绩（100%）=考勤(占10%)+平时作业(占20%)+课程论文(占70%)。七、教材及主要参考书教材：徐云龙，赵崇军，钱秀珍.纳米材料学概论.上海：