青科大纳米科学与技术教学大纲

附件1：课程教学大纲模板课程编号：0401104纳米科学与技术NanoscaleScienceandTechnology总学时：64总学分：4课程性质：专业课开设学期及周学时分配：第6学期，1周4学时适用专业及层次：材料物理、无机非金属材料、金属材料，本科相关课程：量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学、高分子化学教材：《纳米技术与纳米材料》，张志焜，崔作林著，国防工业出版社，2000年。推荐参考书：《纳米材料与纳米结构》，张立德，牟季美著，科学出版社，2001年。《纳米材料和器件》，朱静等编著，清华大学出版社，2003年。《NanoscaleScienceandTechnology》,RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,2005年。课程目的及要求纳米科学和技术是21世纪科技发展的一个重点，将是一次技术革命，是供材料类学生及准备从事与材料有关学科的学生一门必修课程，涉及了材料、物理、化学、电子学、生物学等多学科的交叉。课程详细讲述了纳米材料的基本理论、特性、表征手段、制备方法及其应用，有助于同学了解纳米材料在力学、磁学、电学、热学、和光学等方面的应用。将当今世界纳米科学与技术研究的最新进展引入课堂教学，有助于学生拓宽知识面，培养创新思维和实践动手能力。课程内容及学时分配（以“章节”为单位说明本章节教学内容及学时分配，宋体五号）第一章纳米科学技术简介6绪论§1.1纳米科学技术简介§1.2纳米科学技术发展史§1.3发展纳米科技的意义§1.4纳米技术在国内外的研究情况及取得的成果第二章纳米结构单元4§2.1团簇§2.2纳米微粒§2.3人造原子§2.4纳米管§2.5纳米棒、纳米带和纳米线第三章纳米材料的检测分析技术10§3.1透射电子显微镜§3.2扫描电子显微镜§3.3扫描隧道显微镜和原子力显微镜§3.4X光衍射与谢乐尔公式§3.5比表面积测定纳米粒子尺寸§3.6其它分析方法第四章纳米科学的基本理论10§4.1电子能级的不连续性§4.2表面效应§4.3库伦堵塞与量子隧道§4.4量子尺寸效应§4.5小尺寸效应§4.6宏观量子现象及宏观量子隧道效应§4.7介电限域效应第五章纳米微粒的结构与物理化学特性16§5.1纳米微粒的结构与形貌§5.2纳米微粒的物理特性§5.2.1热学性能§5.2.2纳米材料的电学性质§5.2.3磁学性能§5.2.4光学性能§5.2.5表面活性及敏感特性§5.2.6光催化性能§5.2.7纳米材料的力学性能§5.2.8纳米微粒悬浮液和动力学性质§5.3纳米微粒的化学特性§5.3.1吸附§5.3.2纳米微粒的分散与团聚§5.4纳米材料的主要应用领域第六章纳米材料的制备方法14§6.1气相法制备纳米微粒§6.1.1低压气体中蒸发法§6.1.2氢电弧等离子体法§6.1.3溅射法§6.1.4流动液面上真空蒸度法§6.1.5通电加热蒸发法§6.1.6化学气相沉积法§6.1.7爆炸丝法§6.2液相法制备纳米微粒§6.2.1沉淀法§6.2.2喷雾法§6.2.3水热法（高温水解法）§6.2.4溶胶—凝胶法§6.3自组装法§6.4模板法制备纳米材料教学重点与难点第一章纳米科学技术简介重点内容：1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米器件、纳米组装体系、自上而下、自下而上。2、纳米材料与传统材料的差别。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。难点内容：纳米科技的前沿动态。第二章纳米结构单元重点内容：1、掌握基本概念团簇、纳米微粒、量子点、量子线、量子阱、人造原子、一维纳米材料。2、富勒烯和纳米碳管的制备方法。难点内容：富勒烯和纳米碳管的制备方法。第三章纳米材料的检测分析技术重点内容：透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜、X射线衍射仪。难点内容：透射电子显微镜、扫描电子显微镜。第四章纳米科学的基本理论重点内容：久保理论、表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、库伦堵塞与量子隧道效应难点内容：久保理论、量子尺寸效应、小尺寸效应。第五章纳米微粒的结构与物理化学特性重点内容：纳米微粒的结构物理特性：热学性能，电学性能，磁学性能，光学性能，表面活性及敏感特性，光催化性能，力学性能，动力学性质。化学特性：吸附，分散与团聚。主要应用领域。难点内容：物理特性。第六章纳米材料的制备方法重点内容：气相法制备纳米微粒（气体冷凝法，氢电弧等离子体法）液相法制备纳米微粒（沉淀法，水热法，溶胶凝胶法）纳米微粒表面修饰难点内容：氢电弧等离子体法，溶胶凝胶法，VLS,VS主要教学方法课堂教学典型作业练习简答题六、课程考核方式闭卷考试附件2：课程简介模板材料科学与工程学院课程简介课程中英文名称：纳米科学与技术（NanoscaleScience&Technology）课程编号：0401104课程性质：专业课开设学期及学时分配：第6学期，1周4学时适用专业及层次：材料物理、无机非金属材料、金属材料，本科先行课程：量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学、高分子化学后继课程：（宋体五号）教材：《纳米技术与纳米材料》，张志焜，崔作林著，国防工业出版社，2000年。推荐参考书：《纳米材料与纳米结构》，张立德，牟季美著，科学出版社，2001年。《纳米材料和器件》，朱静等编著，清华大学出版社，2003年。《NanoscaleScienceandTechnology》，RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,2005。课程目的、内容与要求：纳米科学和技术是21世纪科技发展的一个重点，将是一次技术革命，是供材料类学生及准备从事与材料有关学科的学生一门必修课程，涉及了材料、物理、化学、电子学、生物学等多学科的交叉。课程详细讲述了纳米材料的基本理论、特性、表征手段、制备方法及其应用，有助于同学了解纳米材料在力学、磁学、电学、热学、和光学等方面的应用。将当今世界纳米科学与技术研究的最新进展引入课堂教学，有助于学生拓宽知识面，培养创新思维和实践动手能力。附件3：纳米科学与技术实验课程教学大纲模板实验课程名称：纳米科学与技术实验课英文名称：Experimentsfornanoscalescience&technology实验课程编号：实验课程性质：独立设课实验课程属性：专业实验教材及实验指导讲义（书）名称：自编学时学分：课程总学时总学分实验学时32实验学分1应开实验学期：三年级二学期面对专业：材料物理、无机非金属材料、金属材料先修课程：纳米科学与技术一、实验课程简介及基本要求：近年来，由于具有特殊的光学、电学、磁学性质，纳米材料（0维，1维，2维）的制备和性能研究已经引起人们广泛的兴趣。目前，科研工作者已经开发了的许多制备方法，可分为物理方法、化学方法。本实验作为纳米科学与技术的课程实验，是在山东省纳米工程技术重点实验室多年科研成果的基础上自主设立的。在实验教学中要求学生结合纳米科学与技术的基本理论，加深学生对纳米科学与技术有关理论的认识，提高学生的实验动手能力，并通过实验掌握性能测试原理和研究的基本方法，为将来的科研、生产打下良好的基础。二、实验目的要求采用物理法制备纳米材料：1.氢电弧等离子体法制备纳米粉体：本实验利用氢电弧等离子体法制备纳米镍、铜、钯等金属粉体。要求学生熟悉真空设备的原理及其调试，掌握用氢电弧法制备纳米粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。2.惰性气体蒸发法制备纳米粉体：本实验利用惰性气体蒸发法制备纳米铜粉体。要求学生掌握用蒸发法制备低熔点纳米金属粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。采用化学法制备纳米材料：1.酒石酸铜热分解法制备纳米铜粒子：本实验首先通过化学沉淀法合成酒石酸铜，然后在真空下高温分解制备铜纳米粒子。要求学生掌握酒石酸铜热分解的反应机理。2.均匀沉淀法制备纳米氧化锌粉体。本实验通过控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现制备纳米氧化锌粉体。要求学生掌握均相沉淀法的基本原理。3.微乳液法制备纳米碳酸钙材料。本实验通过微乳液法制备纳米碳酸钙材料。要求学生掌握微乳液法的基本原理。4.溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜。本实验通过溶胶-凝胶法合成纳米TiO2，使学生掌握一种可以从纳米尺度上进行反应得制备纳米材料方法。5.软模板法制备导电高分子纳米材料：本实验以苯胺、吡咯、过硫酸铵为原料，加入适当的表面活性剂进行化学氧化聚合制备导电高分子纳米材料。6.化学还原法制备金属纳米簇催化剂：本实验采用化学还原法制备Pt纳米簇。通过实验操作，使学生了解并掌握化学还原法制备金属纳米簇的基本原理和基本步骤。。三、主要仪器设备采用物理法制备纳米材料：1.氢电弧等离子体法制备纳米粉体：氢电弧纳米粉制备设备。2.蒸发法制备纳米粉体：蒸发法纳米粉制备设备。采用化学法制备纳米材料：1.酒石酸铜热分解法制备纳米铜粒子：离心机，电子天平，烘箱，真空炉。2.沉淀法制备纳米氧化锌粉体：离心机，电热套，电子天平，烘箱，烧结炉。3.微乳液法制备纳米碳酸钙材料：恒温磁力搅拌器，离心机，电子天平，烘箱。4.溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜：离心机，电子天平，烘箱，烧结炉。5.软模板法制备导电高分子纳米材料：离心机，电子天平，烘箱，冰箱，四探针测试仪。6.化学还原法制备金属纳米簇催化剂：恒温磁力搅拌器、微波炉、分析天平、台秤、旋转蒸发仪、加热装置。四、实验方式与基本要求验证实验占50%；综合实验占50%；设计实验占0%；开设方式：在给定的实验条件下，可在规定的范围内调整实验参数，并相互间进行对比，了解相关参数对实验的影响及原因。每组学生2-4人；指导教师人数为4人。五、实验报告与考核方式按科技大学的要求写实验报告，包括实验目的和要求、实验原理、实验试剂和仪器、实验步骤、数据处理及结果讨论。在期末的考题中，一般出一道实验题；另外一个实验题与考题相结合，考察对实验原理和基本要求的掌握情况。六、实验项目与内容序号实验项目名称内容提要主要仪器设备及套数实验类型学时数每组人数实验者类型开设要求1氢电弧等离子体法制备纳米粉体以金属块体材料为阳极，可移动水冷钨电极为阴极，通过加电压引弧使金属蒸发制备纳米材料。氢电弧纳米粉制备设备1套演示性/验证性46本科必开2惰性气体蒸发法制备纳米粉体通过电阻加热金属块体使金属熔化蒸发冷凝后得到纳米材料。蒸发法纳米粉制备设备1套演示性/验证性46本科必开3酒石酸铜热分解法制备纳米铜粒子首先通过化学沉淀法合成酒石酸铜，然后在真空下高温分解制备铜纳米粒子磁力搅拌器，离心机各5套。电子天平2套，烘箱，真空炉，各1套验证性42本科必开4沉淀法制备纳米氧化锌粉体通过Zn(OH)42-溶液在一定温度下均匀分解反应直接制备氧化锌纳米晶体磁力搅拌器，离心机，水浴各5套，电子天平2套，烘箱1套验证性42本科必开5微乳液法制备纳米碳酸钙材料本实验利用氯化钙和碳酸钠在微乳液进行化学反应来制备纳米碳酸钙粒子。离心机5套，电子天平2套，烘箱，烧结炉，各1套综合性42本科必开6溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜本实验以钛酸四丁酯为主要原料制成TiO2溶胶通过提拉装置镀膜。离心机5套，电子天平2套，烘箱，烧结炉，各1套综合性42本科必开7软模板法制备导电高分子纳米材料本实验以苯胺、吡咯、过硫酸铵为原料，加入适当的表面活性剂进行化学氧化聚合制备导电高分子纳米材料。离心机5套，电子天平2套，烘箱，冰箱，各1套综合性42本科必开8化学还原法制备金属纳米簇催化剂化学还原法是一种重要并广泛应用的制备金属纳米簇的方法。本实验采用化学还原法制备Pt纳米簇。通过实验操作，使学生了解并掌握化学还原法制备金属纳米簇的基本原理和基本步骤。恒温磁力搅拌器、微波炉、分析天平、台秤、旋转蒸发仪、加热装置综合性42本科必开制订人：李桂村审核人：实验室主任：院、系（部）负责人：年月日实验课程教学大纲填报说明实验课程编号：由学校统一填写实验课程性质：分独立设课和非独立设课实验课程属性：分基础、技术（专业）基础、专业实验教材及实验指导讲义：分自编（出版、非出版）、统编学时学分：独立设课的实验课按实际学时和学分填写；非独立设课的应分别填写课程总学时、总学分和实验课程所占学时、学分。面对专业：指该实验课程所面对的专业实验课程简介及基本要求：针对该实验课程的特点，分别阐述验证性、综合性、设计及创新性实验的内容和要达到的基本要求。实验目的要求：阐述通过该实验课程的教学，实现的目标和要求。主要仪器设备：列举完成该实验课程教学的要求，所需要的主要仪器设备清单。实验方式及基本要求：介绍实验课程的课程性质；实验课程中演示、验证、综合、设计所占的比例（应满足本科教学评价优秀标准的要求）及开设方式，每组学生人数，指导教师人数等。实验报告与考核方式：分实验报告、平时成绩、期末考试等，按比例进行分配。实验项目与内容：（1）针对每一个实验项目填写实验项目名称、该项目的内容提要以及开设该项目所用到的主要仪器设备名称和台套数；确定该项目的实验类型、实验学时数、每组人数、实验者类型；注明开设要求。（2）对不同的专业同一实验项目不重复填写，可在实验课程简介及基本要求中，针对不同的专业和要求，说明该课程所需开设的总学时数。13．实验类型1.演示性实验：由教师操作，学生通过感观来验证课堂所学理论知识，加深理解。2.验证性实验：由学生按照实验指导书要求，在教师指导下完成，通过实际操作加深对课堂所学理论知识的理解，掌握基本的实验知识、实验方法和实验技能，处理实验数据，撰写实验报告。3.综合性实验：是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程多个知识点的实验。该类实验是对学生进行实验技能和方法的综合训练。4.设计性实验：是指给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。它一般是在学生经过了常规的基本实验训练以后，开设的高层次实验。设计性实验可分为三种形式：(1)教师拟定题目和方案，学生自定实验步骤、自选(或自行设计、制作)仪器设备并独立完成；(2)教师拟定题目，学生自定整个实验方案，独立完成实验；(3)学生自拟题目，并独立完成从查阅资料、拟定实验方案、完成实验的全过程。14.实验者类型：本科、专科15．开设要求：必开、选开附件4：纳米科学与技术实验室实验教学目录模板实验课程名称：纳米科学与技术实验课面对专业：材料物理对应课程：纳米科学与技术实验学时：32序号实验项目名称（首开年月）专业分类号学时数开设要求实验类型目的与要求备注1氢电弧等离子体法制备纳米粉体2002.64演示性、验证性本实验利用氢电弧等离子体法制备纳米镍、铜、钯等金属粉体。要求学生熟悉真空设备的原理及其调试，掌握用氢电弧法制备纳米粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。2惰性气体蒸发法制备纳米粉体2002.64演示性、验证性本实验利用蒸发冷凝法制备纳米铜粉体。要求学生掌握用蒸发法制备低熔点纳米金属粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。3酒石酸铜热分解法制备纳米铜粒子2005.64验证性本实验首先通过化学沉淀法合成酒石酸铜，然后在真空下高温分解制备铜纳米粒子。要求学生掌握酒石酸铜热分解的反应机理。4沉淀法制备纳米氧化锌粉体2005.64验证性本实验通过控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现制备纳米氧化锌粉体。要求学生掌握均相沉淀法的基本原理。5微乳液法制备纳米碳酸钙材料2002.64综合性本实验通过微乳液法制备纳米碳酸钙材料。要求学生掌握微乳液法的基本原理。6溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜2002.64综合性本实验通过溶胶-凝胶法合成纳米TiO2，使学生掌握一种可以从纳米尺度上进行反应得制备纳米材料方法。7软模板法制备导电高分子纳米材料2005.64综合性本实验通过苯胺、吡咯的化学氧化聚合制备一维导电聚合物纳米结构。要求学生掌握聚合机理，了解掺杂剂、表面活性剂在实验中的作用，并实现对导电聚合物纳米结构形貌的控制。8化学还原法制备金属纳米簇催化剂2005.64综合性化学还原法是一种重要并广泛应用的制备金属纳米簇的方法。本实验采用化学还原法制备Pt纳米簇。通过实验操作，使学生了解并掌握化学还原法制备金属纳米簇的基本原理和基本步骤。附件5：实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称氢电弧等离子体法制备纳米粉体首开实验时间2002年6月实验设备套数1学时4组数5每组12人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明氢电弧纳米粉制备设备自制6万每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明金属镍块试剂氢气高纯氩气高纯实验内容及要求氢电弧方法是一种制备纳米粉体的重要的物理方法。本实验通过这种方法，制备纳米镍粉体。使学生熟悉真空设备的原理及其调试，掌握用氢电弧法制备纳米粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称惰性气体蒸发法法制备纳米粉体首开实验时间2002年6月实验设备套数1学时4组数5每组12人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明蒸发法纳米粉制备设备自制6万每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明金属铜块试剂氢气高纯氩气高纯实验内容及要求蒸发-冷凝方法是一种制备纳米粉体的重要的物理方法。本实验通过这种方法，制备纳米铜粉体。使学生掌握用蒸发法制备低熔点纳米金属粉体的基本原理和基本步骤，了解纳米粉体的物理法制备工艺。实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜首开实验时间2002年6月实验设备套数5学时4组数15每组4人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明离心机XYJ-801电子天平烘箱烧结炉磁力搅拌器拉膜剂每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明无水乙醇500ml/瓶蒸馏水50kg/桶钛酸四丁酯500ml/瓶烧杯100，200ml量筒10，100ml移液管1，5，10ml无水乙醇500ml/瓶实验内容及要求通过溶胶-凝胶法合成纳米TiO2薄膜，使学生掌握一种重要的纳米材料化学合成方法。溶胶-凝胶法是一种制备纳米材料的特殊工艺。可以从纳米尺度上进行反应，最终制备出具有纳米结构特征的材料。纳米TiO2的具有广泛的用途；可用于光吸收，光催化，光降解和抗菌材料等。实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称沉淀法制备纳米氧化锌粉体首开实验时间2005年6月实验设备套数1学时4组数5每组12人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明离心机XYJ-801恒温水浴电子天平烘箱烧结炉磁力搅拌器每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明无水乙醇500ml/瓶蒸馏水50kg/桶硝酸锌500g/瓶尿素500g/瓶烧杯100，200ml量筒10，100ml移液管1，5，10ml实验内容及要求通过沉淀法合成纳米ZnO粒子，使学生掌握一种重要的纳米材料化学合成方法。可以从纳米尺度上进行反应，最终制备出具有纳米结构特征的材料。纳米ZnO粒子可用作光催化剂、添加剂等。实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称微乳液法制备纳米碳酸钙首开实验时间2002年6月实验设备套数1学时4组数5每组12人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明磁力搅拌器离心机XYJ-801电子天平烘箱每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明NaCO3CPCaCl2CPEDTACP环己烷CP正丁醇CP烧杯200ml量筒10,50,100ml移液管10,25ml洗瓶500ml玻璃棒实验内容及要求微乳液方法是一种重要并广泛应用的制备纳米粒子的化学方法。本实验采用微乳液方法制备纳米碳酸钙粒子。通过实验操作，使学生了解并掌握微乳液方法制备纳米粒子的基本原理和基本步骤。实验卡模板材料科学技术实验室实验项目名称酒石酸铜热分解法制备纳米铜粒子首开实验时间2005年6月实验设备套数1学时4组数5每组12人每组需用仪器名称型号原价现有台数尚需台数说明磁力搅拌器离心机XYJ-801电子天平烘箱真空炉每组所需材料用品品名规格金额（元/支.瓶）数量（支.瓶）说明无水乙醇500ml/瓶蒸馏水50kg/桶酒石酸钠500g/瓶氯化铜500g/瓶烧杯100，200ml量筒10，100ml移液管1，5，10ml实验内容及要求通过热分解法合成纳米Cu粒子，使学生掌握一种重要的纳米材料化学合成方法。可以从纳米尺度上进行反应，最终制备出具有纳米结构特征的材料。纳米Cu粒子可用作催化剂等。实验卡实验室材料科学与技术（2）填表日期2003年11月15日实验项目化学还原法制备金属纳米簇催化剂首开实验时间2005年06月实验设备套数16学时4组数16每组2人每组需用仪器名称型