淺談表面科學在本科教學中的講授

于迎輝

（湖北大學物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062）

引言

表面科學主要是研究固-液、固-真空、固-氣和液-氣界面處的物理和化學現象，涉及領域廣泛，涵蓋物理學、晶體學、化學、生物學和材料科學等。其作為物理和化學研究中的一個新興分支學科，具有很大的挑戰性。物質表面的性質往往與體相有著很大的差異，根本原因在于表面原子原先在體相中的對稱性和環境被突然破壞。表面科學按學科屬性一般分為表面物理和表面化學，二者也融合在一起。表面化學偏重于研究實現具體化學現象的方法，而表面物理試圖揭示相關物理現象產生的本質。目前，在國內外許多高等院校和研究機構中，表面科學是物理和化學領域研究生的專業基礎課；由于涉及表面基礎理論和復雜的具體研究，內容比較深奧，在本科教學中并無涉獵。然而，考慮到國內普通高校本科生在入學兩三年后，已經學習了固體物理、半導體物理，熱力學統計物理和量子力學等課程，接受表面科學的相關知識并不是特別困難。另外，由于就業形勢的嚴峻及用人單位對學歷的要求提高，相當一部分本科生選擇攻讀研究生，在本科階段開設表面科學課程，有助于將來更好更快地融入后續的研究工作當中。因此，為高年級本科學生開設表面科學課程是可行的，也是必要的，有助于激發學生從事表面科學研究的興趣。

1 適合本科教學授課的內容

1.1 表面科學發展史

早在18 世紀，科學家就開始了對物質表面的研究，例如催化、電化學以及表面熱力學研究等。1877 年，吉布斯建立了劃時代的熱力學理論，包括表面熱力學理論，引入了新的狀態函數——自由能和化學勢的概念；1900 年，朗格繆爾提出了催化、吸附結構、功函數等概念，開拓了化學學科的新領域——界面化學；1905 年，愛因斯坦對赫茲發現的光電效應現象進行了理論解釋，促進了表面科學量子理論的出現。19 世紀30 年代起，表面電子態、物理/化學吸附、金屬/半導體界面理論相繼提出。雖然早期理論研究取得了長足的進展，但是實驗研究卻一直裹足不前。直到20 世紀中期后，隨著分子束外延技術、電子能譜技術的發展以及超高真空技術的成熟，表面科學領域的實驗研究才逐漸興盛起來。特別是掃描探針技術的出現使得表面科學的研究越來越興旺。從20 世紀90 年代開始，進入了當代表面科學研究時期，納米技術的出現使得表面科學由宏觀進入微觀領域，原子尺度層面的物理、化學及技術成為主流，多維度的研究催生了豐富的表面及界面現象。進入20 世紀，表面科學發展的勢頭依然非常迅猛，大批重要的研究成果相繼報道，相信今后很長時間里都保持快速增長。

1.2 表面分析技術

表面分析技術是利用電子、光子、離子、原子、場、熱等作為信號的載體，通過與物質表面或界面的相互作用，得到與表面組分、形貌結構、電子態及表面物理化學過程等相關的信息。在20 世紀60 年代發展的超高真空技術的基礎上，已出現了數十種表面靈敏的分析技術，包括場發射、電子能譜、衍射、掃描成像、質譜、散射等技術。20 世紀80 年代出現的掃描隧道顯微鏡以及隨后衍生的各種掃描探針技術，更是極大地促進了表面科學的飛速發展。近年來，科學家把極端條件技術和其他表面分析技術相結合，實現了極低溫、強場下表面現象的觀測，把飛秒激光技術與掃描探針技術結合，實現了對原子、分子的一些非平衡超快動力學過程的實時研究。

1.3 重要研究成果

1.3.1 表面排布結構

通過掃描探針技術可以實空間確定物質的表面結構，“看見”了以前看不到的東西。在此技術剛出現時，實現了單晶硅表面幾何結構和缺陷的直接觀察，與低能電子衍射和理論計算結合最終確定了其表面結構模型，包括硅的（001）和（111）表面，對幾個高指數面的再構情況也給出了詳細的研究結果。其中重要的成果是對Si(111)-(7x7)結構的實空間測量，直觀地“看”到了表面的硅原子排布結構，證實了著名的二聚體-吸附原子-堆積錯位模型。另外，本部分內容在實際講授時也可以考慮加入最新的多種人工材料的研究成果，比如高溫超導體、人工晶格等。

1.3.2 原子尺度操縱

掃描探針技術的成熟極大地促進了表面科學的發展，科學家可以在原子尺度上對單原子/單分子進行操縱實現物質的改造，這為納米科技的全面發展奠定了基礎。操縱的實現對于研究微觀、介觀物理、化學等意義重大，在人造分子和納米器件的驗證中具有誘人的應用前景。操縱主要分為兩種方式：一是利用探針與吸附在材料表面的原子或分子的相互作用或利用外界作用將原子或分子轉移到探針上，使其在材料表面發生橫向移動。二是通過外加電場，改變分子的形狀，對分子進行“手術”，包括破壞和不破壞化學鍵，如分子裁剪。

1.3.3 量子肼態

量子阱的基本特征是由于量子阱寬度（尺度與電子的德布羅意波長可比）的限制，導致電子波函數在一維方向上的局域化，量子阱中的勢壘具有很強的限制作用，使得電子只在與勢壘高度平行的平面內具有二維自由度，在垂直方向，導帶和價帶分裂成子帶，出現量子化。典型的例子是利用角分辨光電子能譜技術在Si(111)表面擔載的銀薄膜和鉛薄膜上觀察到了量子阱態，并且給出了隨薄膜厚度增加量子態能量的變化以及相關的一些物理現象，比如量子阱態對功函數、超導溫度、表面吸附等的調制作用。

1.3.4 二維材料

二維材料的典型代表是單原子層厚度的石墨烯，其是目前在科技界最為流行的一種高性能材料。自從2004 年英國曼徹斯特大學的兩位物理學家用高定向熱解石墨首次獲得獨立存在的高質量石墨烯以來，對其制備方法和電子特性的研究取得了長足的發展。石墨烯被認為是世界上最薄也是最硬的材料，同時具有卓越的光、電、熱和力學等性能，比如載流子表現出巨大的遷移率、高熱導率、高透光率、低電阻率、能承載大的電流密度等，這些優異的性能使它在眾多傳統產業和戰略性新興產業中具有極高的應用潛力，更有可能替代硅，制造超微型晶體管、未來新一代芯片和超級計算機。基于此，中國在《新材料產業“十二五”發展規劃》中明確提出積極開發石墨烯材料。隨著石墨烯材料的發展，又衍生出了許多類石墨烯材料，也具有石墨烯的蜂窩狀結構，表現出許多獨特的物理和化學性質。迄今為止，已在實驗上實現的類石墨烯結構有鍺烯、硅烯、錫烯、磷烯、銻烯、人工分子石墨烯等。

2 本科教學的授課方式

本科生的課程屬于打基礎的學習，并未涉及具體的科學研究過程，表面科學的講授要淺顯易懂，旨在拓寬學生的知識面，可以講解前文所述的具體研究結果和研究過程中一些有趣的歷史，激發他們將來對表面物理和化學研究的興趣。結合本文作者在我校本科生課堂上授課的經歷和相關的研究論著，特總結如下四點適合把表面科學相關知識融入本科課堂的形式。

2.1 開設研究前沿導論課程

本課程著重講解表面科學發展的歷史、一些基本的概念和淺顯的物理化學現象。在表面科學發展的過程中，涌現了許多著名的諾貝爾獎獲得者，其都有豐富的人生經歷和人文故事，任課教師可以在授課的過程中給學生穿插講解，學生會更有興趣和容易接受，讓其在愉悅的氛圍中體會到投身科學研究事業的偉大，并自然地接受相關的物理和化學知識。同時，在授課過程中，任課教師也可考慮加入照片、動畫或視頻演示具體的實驗過程或結果，讓他們真切體驗到科學研究的樂趣和無窮魅力。

2.2 開設專業基礎課程

結合前文提到的表面分析技術和近期重要的研究成果，可以考慮為本科生開設表面科學專業選修課程，拓寬其知識面。課前給學生布置任務，讓學生廣泛查閱書籍和文獻，了解表面科學在一些應用學科領域扮演的角色。在表面分析技術部分，課堂上通過大量圖片和視頻重點講解目前常用的幾種技術，包括其基本原理、實驗裝置、應用實例等。在講授重要研究成果部分時，首先理清研究成果中涉及的基本物理和化學概念，與學生已學知識串聯起來，比如前文提到的表面結構、二維材料和拓撲材料可以關聯到固體物理課程中關于晶格及能帶的相關知識，量子阱態在量子力學課程中也已明確講解，在此把枯燥的基礎知識整合到了具體的物質形態上。原子尺度操縱可以回憶固體物理和原子分子物理課程的相關知識。其次，針對本科生對具體的物質形態和現象還不夠直觀的特點，在講授時著重突出研究成果的物理原理與物理思想，而忽略相關的數學計算，盡量使用淺顯的語言和選取簡單易懂的研究成果。經課堂實際授課發現，在講授某一個具體的研究成果前，先給學生播放一個簡短且有趣的相關視頻更有利于調動其求知欲，在視頻結束時，任課教師要盡量提出一個問題引導學生繼續聽下去，如此比傳統灌輸式的授課方式更能使學生接受，最大限度地滿足學生的好奇心。再次，在講授時，要盡量增強課程內容的趣味性，并與學生互動，讓其積極參與進來，可定期讓學生進行分組討論和上講臺介紹，收集討論中提出的問題，及時給予解答。

2.3 開設理論和實驗結合課程

本課程因各高校開放儀器設備不同，選取的實驗課也有所差別。任課教師可以結合所在高校的儀器條件，選取適合的表面分析技術。對于一些簡單的實驗，可以考慮讓學生自己動手，比如利用原子力顯微鏡對物質結構的觀測。然而，對于一些復雜且儀器設備需要專業人士操作的實驗，比如利用X射線光電子能譜對物質成分的分析，可以讓學生進行現場觀摩，任課教師進行實時講解。在具體實驗中，任課教師要引導和激發學生認真思考實驗現象，提高學生的動手能力、對物質世界的認知能力和對重要實驗數據的獲取能力。通過本課程的學習，使學生能真切地體會到表面科學的意義和前途，引導他們對表面科學研究的興趣和信心，未來為表面科學事業的發展貢獻自己的力量。

2.4 開設本科生科研訓練計劃

學校倡導從事表面科學研究的教師開設“本科生科研訓練計劃”課題，并積極鼓勵本科生申請，以設立創新基金和自主申報的方式確定立項并給予資金支持。在已學表面科學理論知識的基礎上，在教師的指導下，獲資助學生通過查閱國內外文獻資料，及時了解該領域的發展動態和目前面臨的挑戰，撰寫具體的實驗方案及實驗方法，積極開展相關實驗研究。在實驗過程中，讓學生與所在實驗室的研究生積極交流互動，掌握實驗儀器的操作方法及數據分析技巧，通過發現問題激發創新思維進而獨立完成課題。實驗完成后，引導學生整理數據并撰寫結題報告。本科生科研訓練計劃主要注重學生參與科學研究的學習過程，并非期望原創性成果的產出，是課堂理論知識學習的有益補充和延伸，將培養學生濃厚的科研興趣和端正的科研態度，為學生的就業和后續深造奠定堅實的基礎。

3 研究意義

本文的研究可為高校給本科生開設課程提供借鑒和參考，也可為從事表面科學研究的高校教師在本科教學時提供一個可行的教案制定參考。有利于高校幫助本科生拓寬知識面，使其能將表面科學的原理和方法應用于真實的自然現象和物質世界。對于將來計劃攻讀研究生的學生，可以提前對表面科學研究有一個理性的認識，為后續階段的學習提供一定的知識儲備和培養嚴謹的科學探索精神。