《功能晶体与器件》课程教学大纲

《功能晶体与器件》课程教学大纲课程代码080119L课程名称中文名：功能晶体与器件英文名：Functionalcrystalsanddevices课程类别专业课修读类别选修学分2.0学时32（理论28，实验4）开课学期第6学期开课单位材料科学与工程学院材料科学系适用专业无机非金属材料工程专业先修课程材料科学基础，大学化学，大学物理，材料性能学等后续有关专业课程和教学环节新型无机材料，毕业设计（论文）主讲教师／职称张希清/副教授、于刚/副教授、吴红亚/副教授考核方式及各环节所占比例作业+实验成绩+期末考试（15%）+（15%）+（70%）教材及主要参考书（1）《人工晶体-生长技术、性能与应用》第1版，张玉龙，唐磊主编，化学工业出版社，2005（2）《新型激光晶体材料及其应用》第31版，徐军等著，科学出版社，2017（3）《纳米半导体材料与器件》第1版，肖奇编著，化学工业出版社，2013（4）《纳米材料和器件导论》第2版，郭子政,时东陆著，清华大学出版社，2010

一、课程性质和目标《功能晶体与器件》课程介绍各种功能晶体材料的功能原理、制备、特点和主要用途，讲解器件制作主要工艺，认识当代无机功能晶体材料的最新研究成果，为研究开发新型晶体材料和新工艺奠定理论基础。知识目标：课程目标1：认识功能晶体与器件的基本概念、基本分类和发展历史。课程目标2：解释各种功能晶体材料与器件的重要性能与功能原理。课程目标3：认识典型功能晶体材料的相关实验制备方法与材料表征。课程目标4：解释功能晶体材料与器件研究开发的现状、应用及其地位和发展趋势。能力目标：课程目标5：具备正确分析表达工程问题和案例分析的能力，在分组实验活动中，具备和其他研究者进行有效沟通交流和表达的能力。课程目标6:利用图书馆和网络资源查阅国内外各种文献资料，完成典型案例分析。二、本课程所支撑的毕业要求（1）本课程所能支撑的毕业要求如下：序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容课程目标1毕业要求2-4能够正确表达材料复杂工程问题的解决方案，并分析其合理性，以获得有效结论。课程目标2、4、52毕业要求4-2实验设备的基本原理，能正确使用相关实验仪器与设备，实施实验方案。课程目标1、3、53毕业要求10-3能够阅读本专业外文资料，认识专业领域的国际发展趋势、研究热点，能就专业复杂工程问题，在跨文化背景下进行沟通和交流。课程目标1、2、3、4、5、6

（2）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系教学内容课程目标毕业要求指标点理论教学1．绪论课程目标1、4毕业要求10-32.宝石晶体及其工业应用课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、4-2、10-33.压电晶体与器件课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、4-2、10-34.激光晶体与器件课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、4-2、10-35.非线性光学晶体课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、10-36.半导体晶体课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、4-2、10-37.纳米晶体与器件课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、4-2、10-38．闪烁晶体课程目标1、2、3、4、5、6毕业要求2-4、10-3实验教学1.纳米晶体复合材料的制备实验课程目标3、5、6毕业要求2-4、4-2、10-32.纳米晶体复合材料的性能测定课程目标3、5、6毕业要求2-4、4-2、10-3

三、教学内容及安排（一）理论教学内容（28学时）1.绪论（2学时）(1)本章基本要求1）认识功能晶体的发展、意义、基本概念。2）熟悉功能晶体的分类与性能关系。3）理解教材内容结构，认识本课程教学特点与学习方法，提高综合分析问题能力。(2)本章教学内容1）本课程大纲解读2）本课程的学习要求、学习目的及学习本课程需要注意的问题。3）本课程的主要教学内容；考试与评价方法。(3)本章的重点重点：本门课程的意义；功能晶体的概念、分类宝石晶体及其工业应用（4学时）（1）本章基本要求认识宝石晶体及其应用。蓝宝石晶体生长的方法；理解蓝宝石缺陷及形成原因。认识基片加工方法。（2）本章教学内容1）宝石晶体的概念、类型、晶体结构、基本性质及其工业应用。2）蓝宝石晶体生长技术；提拉法、泡生法、导膜法、坩埚下降法等的基本工艺过程和主要优缺点。蓝宝石晶体缺陷及原因分析。3）蓝宝石基片加工：蓝宝石晶棒制作工艺流程；蓝宝石基片制作工艺流程。（3）本章的重点和难点重点：宝石晶体及其工业应用；蓝宝石晶体生长和加工。难点：蓝宝石晶体生长技术3.压电晶体与器件（4学时）（1）本章基本要求1）认识压电材料的概念、发展历史和应用；认识压电材料研究方向。2）压电效应原理及主要特性参数，理解压电单晶的压电性和晶体对称性的关系。压电材料的特性要求及材料选择原则。3）理解常用的压电器件的种类；晶振元件的结构；石英晶片的切型及符号。（2）本章教学内容1）压电材料的概念、发展历史和应用状况；压电材料的分类。2）压电材料与器件的工作原理；压电材料的主要特性参数；压电材料的特性要求。3）常用的压电器件的种类及特点；晶振元件和石英晶片的切型。4）声表面波滤波器和压电传感器等压电器件的概念、特点及应用。5）压电材料发展现状及研究方向。（3）本章的重点和难点重点：压电原理；压电材料的主要特性参数；压电器件的工作原理；石英晶片的切型和压电器件难点：压电原理；石英晶片的切型4.激光晶体与器件（8学时）（1）本章基本要求1）激光基本概念、激光的特点、激光基本原理。2）认识激光的发展；激光在各领域的应用价值和状况。3）激光器的基本结构和激光器的分类；固体激光器的特性和基本结构。4）认识气体激光器和液体激光器。（2）本章教学内容1）激光的概念与发展简史；激光特性、激光原理和激光技术。2）激光器的应用；激光器的种类；激光器的基本结构及各种激光器的特点。3）固体激光器；半导体激光器；气体激光器和液体激光器等。（3）本章的重点和难点重点：激光及激光器件在工业上的应用。激光原理和激光器的基本结构。难点：激光原理和激光器5.非线性光学晶体（2学时）（1）本章基本要求晶体的非线性光学基础知识；理解几种变频晶体；认识非线性光学晶体的性能及应用。（2）本章教学内容1）非线性光学概念及发展历史；晶体的非线性光学基础、应用价值和科学意义；倍频和混频的概念及原理。2）非线性光学晶体的性能；非线性光学器件对晶体材料的要求。重要的非线性光学晶体材料：变频晶体、电光晶体、光折变晶体。KBBF晶体。3）键参数法、键电荷模型、阴离子基团理论。4）非线性光学晶体的应用。（3）本章的重点和难点重点：阴离子基团理论；几种重要的非线性光学晶体材料。难点：阴离子基团理论半导体晶体（2学时）（1）本章基本要求认识半导体历史、性能、机理、应用；半导体器件的基础结构和制造流程等。（2）本章教学内容1）半导体器件发展的历史回顾。半导体性能、机理、应用。2）半导体器件的重要性；器件的基础结构；典型的半导体芯片的制造流程。3）发光二极管等半导体光电子器件的概念及应用。（3）本章的重点和难点重点：半导体性能、机理；半导体器件的基础结构、制造流程等。难点：半导体性能、机理纳米晶体与器件（2学时）（1）本章基本要求纳米晶体材料与器件概念、原理、应用；认识其他纳米晶体。（2）本章教学内容1）纳米材料的概念与特性：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。2）纳米晶体与器件的概念、技术原理；纳米电子器件的特点。3）纳米器件的现状与发展、应用；纳米器件的展望。（3）本章的重点和难点重点：纳米晶体材料与器件的概念、技术原理和应用难点：纳米晶体材料与器件的原理闪烁晶体（2学时）（1）本章基本要求认识闪烁晶体的研究历史与现状；发光机制；理解闪烁晶体的分类、特性及其应用。（2）本章教学内容1）闪烁材料的研究历史、现状与研究方向；闪烁材料的概念、分类及其应用。2）闪烁材料的发光机制等理论基础；闪烁晶体基本特性。3）常见的无机闪烁晶体。4）闪烁晶体探测器的结构、特点、工作原理、优缺点。（3）本章的重点和难点重点：闪烁晶体的分类、特性及闪烁晶体探测器难点：闪烁晶体的分类、特性总复习，答疑（2学时）（二）实验教学内容（4学时）序号实验项目实验要求实验内容实验性质学时1纳米晶体复合材料的制备实验要求学生认识材料的制备方法，设计实验方案，制备出材料样品1、晶体材料的制备方法及仪器的使用；2、分析实验结果的影响因素。综合性22纳米晶体复合材料的性能测定要求学生测定材料吸收光谱等性能的实验方法和技能。1、材料性能测定的方法及仪器使用方法；2、实验结果分析。综合性2

四、达成课程目标的途径和措施1.教学方法教学方法是实现教学目标、教学内容的重要环节。本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“案例教学法”、“多媒体视频法”等，教学内容紧跟新材料发展前沿，及时补充新材料、新技术等内容，根据学生特点和教学内容，调整教学方法，以提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。授课中采用“讲授与视频结合法”、“案例教学法”，这种教学方法可增加学生的直观认识和和对教学内容的理解，提高课堂效率。具体实施可通过以下几个方面：1）通过引入具体问题启发学生思考；然后给学生讲解作用原理和相关技术。2）播放动画或视频使学生在课堂上就能身临其境感受现场气氛，加深认识。3）必要时提出重点问题进行讨论，强调关键问题或注意事项。4）结合具体材料的典型应用案例讲解，理解材料的生产工艺和性能特点及其应用。采用“讲授法”与“讨论法”结合，针对重难点部分内容在教师引导下，学生进行充分讨论，确保学习效果。要求学生查阅近期发表的相关研究论文，提出自己的见解。实验部分主要采用“讲授法”与“综合实验法”结合，在实验室对仪器设备的使用和实验步骤进行讲解，同时让学生根据老师要求自行设计实验方案，让学生不仅可获得感性认识，也增强了分析问题的能力和实践动手能力。实验课程的开设是对理论课程的有益补充，可加深学生对所学理论知识的理解。2.教学手段本课程利用现代化的教学手段，采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，将动画视频、录像及图片穿插到教学内容中，使学生“身临其境”地学习，达到课程目标要求。“板书”可用于辅助表达，二者充分发挥优势，扬长避短。3.课外阅读要求推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外阅读和案例检索，加深对教学内容的理解，拓展专业视野，认识行业最新发展前沿。4.多环节训练（1）作业（2）实验（3）期末考试五、课程综合记分方法课程考核由作业、实验和期末考试三部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：考核环节比重（%）作业15实验成绩15期末考试70总计100（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）各个环节的评分标准如下：作业每次作业必须在正式上课前交，迟交作业或作业不满足下列要求，均以零分计。每次作业按百分制评分，总评后折算成15分。作业的评分标准观测点85～100分75～84分60～74分<60分完成进度严格按照作业要求并及时完成基本按照作业要求并及时完成不能按照作业要求，未及时完成不能按照作业要求，未及时完成概念程度概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念错误分析或结论有效性分析合理，结论有效分析基本合理，结论基本有效分析不合理未给出分析

2．实验实验成绩根据实验报告成绩以及实验课上的操作表现及实验预习情况综合进行评定。每次实验按百分制评分，总评后折算成15分。实验课程评价标准过程控制关注点80-100分60-79分0-60分实验预习对实验目的和原理的熟悉程度完成预习报告，回答问题正确完成预习报告，回答问题基本正确能基本回答问题实验操作实验态度按时参加实验原始数据记录完整按时参加实验原始数据记录基本完整实验课迟到原始数据记录不完整操作技能实验过程熟练，操作规范，动手能力强实验过程较熟练，能完成基本操作需在指导下完成基本操作协作精神主动做好分配任务，并能协助同组成员完成分配任务，能与同组成员配合被动参与实验实验报告数据分析处理能力数据整理规范，计算结果正确数据整理规范，计算结果基本正确数据整理和结果均有明显错误综合应用知识能力能综合实验数据分析规律，结论正确结论基本正确但缺乏实验数据综合分析结论有错误期末考试期末考试成绩是通过闭卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程所讲的知识点。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成70分。为了确保考核试卷的信度和效度，须针对教学目标、把握能力层次，进行试卷蓝图设计。试卷蓝图设计课程目标

把握能力层次目标分值百分比（%）认识理解应用14-166-245-2010-4010-4025-2010-405-2015-6015-6031-62-101-53-203-2043-123-124-165-405-40各项分值10-4020-8010-50

100六、评估方法本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。课程目标1的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点晶体材料的基本概念、分类，发展历史解释压电晶体、激光晶体、半导体晶体的基本概念、分类、材料主要结构特点、发展历史。解释宝石晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、纳米晶体的基本概念、分类、特点。作业；期末考试作业完成情况；考试答题的准确性和分析思路。课程目标2的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点各种晶体材料的重要性能与功能原理压电晶体、激光晶体、半导体晶体等晶体材料的基本性能特点、重要参数、基本原理、性能影响因素。宝石晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、纳米晶体的基本性能。作业；期末考试作业完成情况；考试答题的准确性和分析思路。课程目标3的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点材料的实验制备与表征方法典型纳米晶体材料的溶胶凝胶法、水热法、共沉淀法等制备方法，紫外可见分光光度计的构造及工作原理和使用方法、吸收光谱的测定方法。实验实验预习情况、考勤、实验过程中的动手能力，实验报告的完成质量课程目标4的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点认识晶体材料研究开发的现状和应用情况详细认识晶体材料研究开发的现状、应用及其在高新技术领域中的地位，并认识它们的发展趋势，通过文献分