“二維鐵電場效應管的研究”在大學物理開放實驗課程中的實踐

周雙　普勇

摘? 要：該文以“二維鐵電場效應管的研究”為課題展開一期開放式物理實驗教學的實踐，在大學物理實驗中引入科學前沿課題，旨在加深學生對大學物理相關專業知識的理解，培養大學生的創新能力和科研素養。課程主要內容是指導學生分工合作進行文獻調研、分析總結、二維器件設計、實驗制備和測量等環節，定期以組會報告的形式進行答辯和討論。經過一學期系統的科研訓練，學生了解當下信息時代數據存儲的基本單元結構和工作原理，其外文文獻閱讀能力、科研軟件的使用技能、表達能力、動手能力和創新能力也都得到良好的鍛煉和提升。

關鍵詞：大學物理；開放物理實驗教學；科研訓練；微納器件；科研軟件

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0013-04

Abstract： This paper reports on the implementation of an open physics experiment teaching on the topic of "Research on two-dimensional ferroelectric field effect transistors". The purpose of introducing scientific frontiers into undergraduate physics experiments is to deepen students' understanding of relevant professional knowledge in college physics and to cultivate their innovative and scientific research abilities. The main content of the course is to guide students to collaborate in literature research， analysis and summarization， two-dimensional device design， experimental preparation and measurement， and to regularly present and discuss their work in group meetings. After a semester of systematic scientific research training， students have gained an understanding of the basic unit structures and working principles of data storage in the current information age. Their foreign literature reading ability， skills in using scientific research software， expression ability， manipulative ability， and innovative ability have also been well exercised and improved.

Keywords： College Physics; open physics experiment teaching; scientific research training; micro-nano devices; scientific research software

隨著當代社會的飛速發展，科技和教育都呈現出一幅日新月異的景象。大學生的物理課程不再拘泥于課本上的教學內容，而是在理論與實驗教學相結合的前提下引入了不少的科學前沿和熱點研究，科研導向更加明確[1]。相關實驗教學的開展場所也不僅限于大學物理實驗平臺，而是逐漸走向充滿現代科技的專業科學研究實驗室。這樣的轉變使大學物理和相關實驗教學更加具有科學性和社會性，體現出教學智能化[2-3]。本文以科研課題“二維鐵電場效應管的研究”為例，介紹其在開放式教學中的實踐過程，通過科創活動豐富大學生的知識儲備，培養其嚴謹的科研精神和專業的科學素養。開放實驗教學目的是充分發揮學生的自主能動性，通過實驗加深對專業知識的理解，培養學生獨立思考、獨立分析問題和解決問題的能力。這種開放式教學模式不僅可以深化學生對大學物理專業知識的理解，還可以激發學生對實驗科研的興趣，有利于提高物理類課程的教學質量[4-5]。

在科研項目的支撐下，學生圍繞“二維鐵電場效應管的研究”開展了課題研究，合理分工，團結協作，在6個月的時間內完成科研課題的前期工作。該過程有利于培養學生的多項技能，其中包括如何查閱外文文獻并完成課題背景調研；如何合理地制訂科研計劃并有效地執行；如何領導團隊并做好團隊分工和協作；如何分析問題解決問題；如何進行專業的學術匯報；等等。這些綜合能力方面的學習對于即將走進社會或考研升學的本科生而言無疑是一次重要的鍛煉。本文闡述了本期科研實踐過程中學生的表現和收獲。

一? 課題背景及教學設計

信息產業的飛速發展對高速、低能耗、高密度和非易失性存儲器件的需求與日俱增。近年來，二維鐵電材料的興起為存儲器件的小型化和低能耗提供了更多的可能性[6]。鐵電材料的自發極化（Polarization， P）可以由較小的外加電場進行翻轉，從而實現“0”和“1”的邏輯操控。因其功耗低、速度快等突出性能，基于鐵電材料的場效應管被譽為最富前景的非易失性存儲技術之一[7]。本期開放實驗課的題目是利用二維鐵電材料In2Se3（？琢相）和石墨烯（Graphene）制備鐵電場效應管，并對器件性能進行初步測量分析。在本期科研實踐過程中，教師帶領學生進行課題調研、實驗操作、數據分析，并按計劃組織組會討論，與此同時，學生分別自學常用的科研軟件并完成制圖和數據分析工作。根據前期工作調研，學生充分了解了該課題中目標二維鐵電材料In2Se3的結構特征和物理特性，三層Se原子和兩層In原子交替堆疊，由于中間層帶負電荷的Se偏離中心位置而產生垂直于層面向上或者向下的鐵電極化P，并且該極化在室溫條件下可以通過外加電場進行上下切換，如圖1（a）所示。利用鐵電極化場的翻轉可以改變溝道材料石墨烯的載流子濃度并形成電流開關，那么在該異質結構中，如圖1（b）所示，必須要制備出干凈的電學界面，實驗部分將在后續介紹。

教學設計如下：科研學習小組由4名大二本科生A、B、C和D組成，為了方便管理和分工合作，科研實踐內容分為6個階段，見表1。第一階段，合作開展文獻調研和器件設計工作，詳細調研自2018年以來二維鐵電場效應管研究方面的文獻資料，通過閱讀大量文獻資料來總結器件設計模型和材料性能，在此期間，組員們團結合作，及時分享調研成果，最終形成專業的學術PPT在每周組會上進行匯報討論。第二階段，在確定完所需材料In2Se3和石墨烯之后，組員分工進行機械剝離工作，并利用顯微鏡觀察剝離后材料分布情況，挑選出下一步實驗所需要的樣品薄片。第三階段，分成兩組分別進行二維材料堆疊工作和電極相關工作。A、B組員利用二維材料轉移平臺將所選的二維材料薄片進行堆疊形成異質結構。與此同時，C、D同學根據材料尺寸進行電極設計，并在載有電極和異質結構的襯底上完成最后的電極接線工作，至此，成功制備出二維鐵電場效應管的器件原型。第二、三階段工作內容即為兩種二維材料各自的剝離過程。第四階段，對材料和器件的本征結構進行初步的描繪，學生分工進行科研繪圖軟件的學習，并合作完成材料的晶格結構圖、電極圖樣、器件結構圖和結果數據圖的繪制。第五階段，在前期器件和材料物性的基礎上分工完成電學測試，并結合文獻資料進行數據分析。第六階段也是貫穿整個科研實踐期間的重要內容，即整理并匯報討論。學生定期對自己的實驗結果和掌握的知識進行總結匯報，方便老師掌握學生學習情況并作出合理的調整和指導。

預期教學效果：預計整期科研實踐結束后，學生可以初步了解當下海量數據的存儲硬件結構和工作原理，充分掌握鐵電場效應管的工作原理、制備過程、器件性能等信息，學會如何調研中外文文獻資料并高效閱讀外文文獻，掌握用專業的表達來展現自己的所學所想，學會用創新的眼光看待世界。

二? 實驗內容和結果

實驗內容包括器件制作和數據測量。二維鐵電場效應管的詳細制備過程如圖2所示，先通過機械剝離方法在SiO2襯底上分別剝離In2Se3（圖2（a）、圖2（b））和石墨烯（圖2（c））的二維薄片材料，隨后將準備好的載玻片/PDMS/PVA三層結構壓在附有In2Se3樣品的目標襯底上，待In2Se3被成功拾取后，再利用專用的二維材料轉移平臺將載玻片/PDMS/PVA/In2Se3結構覆蓋在帶有石墨烯的目標襯底上，使得In2Se3和石墨烯形成十字交叉堆疊（圖2（d）），然后將它們一起拾取并轉移到帶有標記的新襯底上，進一步將載玻片/PDMS拾取，此時，襯底上便僅剩余PVA/In2Se3/石墨烯，最后用去離子水溶解掉上層的PVA即可得到In2Se3/石墨烯異質結。在光學顯微鏡拍下目標異質結的高倍照片后，利用科研制圖軟件AutoCAD繪制出器件所需要的電極圖樣，然后通過電子束刻蝕完成器件實體電極圖樣制作，并用電子束蒸鍍出鈦和金作為電極，最終得到目標器件如圖2（e）所示。

在器件制作之前，實驗者已對即將使用的In2Se3晶體進行了基本的結構驗證，拉曼表征結果如圖3（a）所示。待器件完成后，先利用四端引線法來測量溝道材料石墨烯的I—V特性，如圖3（b）所示，線性的I—V曲線是典型歐姆接觸的象征，確保了二維材料表面與金屬電極之間接觸良好。最后進行頂柵電壓調控的電流開關測試和高低電阻保持特性測量。結果如圖3（c）和圖3（d）所示，通過頂柵加電壓對鐵電材料進行極化，隨著電壓從+3 V到-3 V再到+3 V，石墨烯電阻從I到VI的過程中出現了電阻從低到高的來回調控，頂柵電壓的方向和大小改變了二維鐵電層In2Se3中的鐵電極化，而極化場的大小則直接影響了石墨烯溝道中的電荷數量，從而改變其費米能級的位置，形成n型與p型導體之間的有效調控。以0電壓時低電阻為基準，頂柵調控下電阻可以調高至約400%，這比同類干法轉移實驗結果提高了約40倍[8]，該說明水分子在層間的極性作用可能有利于場效應管的電阻調控。此外，兩種電阻態在頂柵電場已經撤去的條件下仍具有一定的保持特性，表現出非易失性，這與二維鐵電材料本身的記憶特性有關。

三? 物理知識連接和工作難點分析

從前期知識儲備到后期實驗制備和測量分析，學生可以從中找到許多與《大學物理》課本內容的知識連接，例如：①在二維材料的機械剝離和光學顯微鏡觀察中，學生可以觀察到不同厚度的薄片在經過薄膜干涉后所呈現的色彩不同，不同厚度的薄片被堆疊之后的透光性也不同，加深對光的干涉等效應的理解；②拉曼測試結果反映出材料中分子的不同震動模式，這一點涉及到物質結構和力學方面的知識，學生可以理解抽象的晶格震動與具體的震動模式之間的關聯；③電子束蒸發制備電極的過程中，高能電子轟擊金屬顆粒，電子能量轉換為熱能，在真空條件下金屬物理直接變為氣態，到達二維材料表面并冷凝成膜，這一系列過程便是大學物理中熱力學最基礎的分子動力學；④在高能電子轟擊金屬顆粒時，電子槍周圍所設置的磁場可以起到使電子束聚焦于指定區域，此時電子受到的洛倫茲力也屬于大學物理中的磁學基礎；⑤在電學測試結果和分析中學生可以直觀地了解到高低電阻之間的切換，通過外加電壓改變極化電場的方向，從而實現對二維材料中n型或p型載流子的調控和保持等效應，這部分內容可以加深學生對大學物理和半導體物理學基礎知識的掌握。諸如此類的知識連接有助于幫助學生在實驗過程中理解物理知識并合理運用，完善自身的知識結構。

本期科研訓練后，老師對團隊中4位隊員的學習表現進行詳細的分析總結。對于從未接觸專業科研實驗設備的大二本科生來說，該工作中的難點是器件制作。該過程工作既是基礎又是關鍵，其步驟細節較多，學生要先學習如何正確使用實驗設備、工具和化學試劑，在任何一個步驟里的粗心都可能增加團隊的重復性工作量，所以需要學生付出足夠的細心和耐心。材料的光學表征和電學測試部分則需要學生快速積累專業的物理知識，而器件制備和測試過程中所用到的專業實驗設備、相關工作原理、測試結果等，都需要學生在短時間內掌握并且能夠做結果分析。例如，在前期的文獻調研過程中，團隊了解到在異質結構制備過程中常用的轉移方法是干法轉移，目的是得到干凈的物理界面[7]。但是通過重復對比實驗發現，濕法轉移之后的In2Se3/石墨烯鐵電異質結場效應管電學性能明顯更加優異。面對這種不同于傳統結論的物理現象，學生們需要從一個全新的視角和高度來看待問題，用創新的思維來重新分析器件物理結構和界面性質。對學生來說，這一過程既是難點又是整期科研實踐的重點，科研實踐只是教學手段，核心目標是培養學生的科研素養和創造力[9]。

雖然該科研訓練屬于團隊分工合作，但是單個環節出錯在所難免，那么此時，教師作為核心領導者，應該給學生預留一定的試錯空間，并著力提高團隊的凝聚力，發揮團隊合作的高效性。該過程不僅有效地鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力、動手能力，以及遇事保持沉著冷靜的心理素質，更有利于培養青年教師指導學生團隊的工作能力。然而，學生對于Vesta、Origin等全英文界面的科研制圖軟件的使用顯得更得心應手，學習時間短、效率高，這充分反應了當代大學生在計算機操作方面的優勢[10]。

四? 結束語

本期科研實踐按照既定的教學設計順利完成。前期文獻資料調研工作量較大，通過大量外文文獻閱讀和總結匯報工作的鍛煉，學生的英文水平和表達能力明顯提升。器件設計、制備和電學測量過程比較精細繁瑣，需要操作者有足夠的耐心和一定的電學專業知識，不僅加深了學生對物理學相關知識的掌握，而且鍛煉了學生的創新能力和動手能力。而繪圖軟件學習和數據分析等過程則很好地鍛煉了學生的電腦操作水平和發散思維。通過這期開放實驗教學，學生刻苦努力、共克難關，培養出了良好的團結合作意識和艱苦奮斗精神，教師也在與學生近距離接觸和交流中體會到更多立德育人和因材施教的深刻內涵。將學生課本所學的基礎知識與物理科學前沿相結合進行大學生開放實驗教學，不僅有利于培養學生嚴謹的科研精神和綜合素質，而且有助于青年教師課內外教學質量的提高。

參考文獻：

[1] 李品鈞.以科研能力培養為導向的大學物理課堂設計——以“相對運動”的教學設計為例[J].物理通報，2023（1）：7-12.

[2] 嚴冬，任春年，祝英杰，等．科研訓練與創新能力一致性分析與課程體系建設的探究[J].大學物理實驗，2019，32（1）：134-136．

[3] 李猛，孫皖，馬在勇，等．高校本科生必修科研項目訓練課的改革探索[J]．實驗室研究與探索，2020，39（10）：198-202．

[4] 紀登輝，史少輝，封順珍，等.科研訓練作為一種教學方式的探究與實踐[J].物理通報，2021（6）：5-9.

[5] 王慧琴.光學器件設計與大學生科研訓練實踐[J].大學物理，2022，41（5）：30-34.

[6] AJAYAN J， MOHANKUMAR P， NIRMAL D， et al. Ferroelectric field effect transistors （FeFETs）： advancements， challenges and exciting prospects for next generation non-volatile memory （NVM） applications[J].Materials Today Communications， 2023， 35： 105591.

[7] BAEK S， YOO H H， JU J H， et al. Ferroelectric field-effect-transistor integrated with ferroelectrics heterostructure[J].Advanced Science， 2022，9（21）：2200566.

[8] WAN S， LI Y， LI W， et al. Nonvolatile ferroelectric memory effect in ultrathin-In2Se3[J].Advanced Functional Materials， 2019， 29（20）：1808606.

[9] 王春梅，沈國土，趙振杰.在近代物理實驗教學中培養準科研素養的探索[J].物理實驗，2022，42（9）：29-36.

[10] 何學敏，王興福，毛巍威，等．Origin作圖處理數據在《大學物理實驗》課程中的實踐[J].教學方法創新與實踐，2019，2（8）：37-39.

基金項目：國家自然科學基金-青年項目“非正規鐵電體BaMF4的磁電耦合效應研究”（11904176）

第一作者簡介：周雙（1990-），女，漢族，湖北黃岡人，博士，講師，碩士研究生導師。研究方向為鐵電材料及器件。