“二維鐵電場效應(yīng)管的研究”在大學(xué)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(yīng)管的研究”為課題展開一期開放式物理實驗教學(xué)的實踐，在大學(xué)物理實驗中引入科學(xué)前沿課題，旨在加深學(xué)生對大學(xué)物理相關(guān)專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。課程主要內(nèi)容是指導(dǎo)學(xué)生分工合作進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、分析總結(jié)、二維器件設(shè)計、實驗制備和測量等環(huán)節(jié)，定期以組會報告的形式進(jìn)行答辯和討論。經(jīng)過一學(xué)期系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，學(xué)生了解當(dāng)下信息時代數(shù)據(jù)存儲的基本單元結(jié)構(gòu)和工作原理，其外文文獻(xiàn)閱讀能力、科研軟件的使用技能、表達(dá)能力、動手能力和創(chuàng)新能力也都得到良好的鍛煉和提升。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；開放物理實驗教學(xué)；科研訓(xùn)練；微納器件；科研軟件

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)代社會的飛速發(fā)展，科技和教育都呈現(xiàn)出一幅日新月異的景象。大學(xué)生的物理課程不再拘泥于課本上的教學(xué)內(nèi)容，而是在理論與實驗教學(xué)相結(jié)合的前提下引入了不少的科學(xué)前沿和熱點研究，科研導(dǎo)向更加明確[1]。相關(guān)實驗教學(xué)的開展場所也不僅限于大學(xué)物理實驗平臺，而是逐漸走向充滿現(xiàn)代科技的專業(yè)科學(xué)研究實驗室。這樣的轉(zhuǎn)變使大學(xué)物理和相關(guān)實驗教學(xué)更加具有科學(xué)性和社會性，體現(xiàn)出教學(xué)智能化[2-3]。本文以科研課題“二維鐵電場效應(yīng)管的研究”為例，介紹其在開放式教學(xué)中的實踐過程，通過科創(chuàng)活動豐富大學(xué)生的知識儲備，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯窈蛯I(yè)的科學(xué)素養(yǎng)。開放實驗教學(xué)目的是充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，通過實驗加深對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)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(xué)模式不僅可以深化學(xué)生對大學(xué)物理專業(yè)知識的理解，還可以激發(fā)學(xué)生對實驗科研的興趣，有利于提高物理類課程的教學(xué)質(zhì)量[4-5]。

在科研項目的支撐下，學(xué)生圍繞“二維鐵電場效應(yīng)管的研究”開展了課題研究，合理分工，團結(jié)協(xié)作，在6個月的時間內(nèi)完成科研課題的前期工作。該過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的多項技能，其中包括如何查閱外文文獻(xiàn)并完成課題背景調(diào)研；如何合理地制訂科研計劃并有效地執(zhí)行；如何領(lǐng)導(dǎo)團隊并做好團隊分工和協(xié)作；如何分析問題解決問題；如何進(jìn)行專業(yè)的學(xué)術(shù)匯報；等等。這些綜合能力方面的學(xué)習(xí)對于即將走進(jìn)社會或考研升學(xué)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(xué)生的表現(xiàn)和收獲。

一? 課題背景及教學(xué)設(shè)計

信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)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(fā)極化（Polarization， P）可以由較小的外加電場進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)“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(yīng)管被譽為最富前景的非易失性存儲技術(shù)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(yīng)管，并對器件性能進(jìn)行初步測量分析。在本期科研實踐過程中，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行課題調(diào)研、實驗操作、數(shù)據(jù)分析，并按計劃組織組會討論，與此同時，學(xué)生分別自學(xué)常用的科研軟件并完成制圖和數(shù)據(jù)分析工作。根據(jù)前期工作調(diào)研，學(xué)生充分了解了該課題中目標(biāo)二維鐵電材料In2Se3的結(jié)構(gòu)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(fù)電荷的Se偏離中心位置而產(chǎn)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(jìn)行上下切換，如圖1（a）所示。利用鐵電極化場的翻轉(zhuǎn)可以改變溝道材料石墨烯的載流子濃度并形成電流開關(guān)，那么在該異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如圖1（b）所示，必須要制備出干凈的電學(xué)界面，實驗部分將在后續(xù)介紹。

教學(xué)設(shè)計如下：科研學(xué)習(xí)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(nèi)容分為6個階段，見表1。第一階段，合作開展文獻(xiàn)調(diào)研和器件設(shè)計工作，詳細(xì)調(diào)研自2018年以來二維鐵電場效應(yīng)管研究方面的文獻(xiàn)資料，通過閱讀大量文獻(xiàn)資料來總結(jié)器件設(shè)計模型和材料性能，在此期間，組員們團結(jié)合作，及時分享調(diào)研成果，最終形成專業(yè)的學(xué)術(shù)PPT在每周組會上進(jìn)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(jìn)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(jìn)行二維材料堆疊工作和電極相關(guān)工作。A、B組員利用二維材料轉(zhuǎn)移平臺將所選的二維材料薄片進(jìn)行堆疊形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。與此同時，C、D同學(xué)根據(jù)材料尺寸進(jìn)行電極設(shè)計，并在載有電極和異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)管的器件原型。第二、三階段工作內(nèi)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(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的描繪，學(xué)生分工進(jìn)行科研繪圖軟件的學(xué)習(xí)，并合作完成材料的晶格結(jié)構(gòu)圖、電極圖樣、器件結(jié)構(gòu)圖和結(jié)果數(shù)據(jù)圖的繪制。第五階段，在前期器件和材料物性的基礎(chǔ)上分工完成電學(xué)測試，并結(jié)合文獻(xiàn)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。第六階段也是貫穿整個科研實踐期間的重要內(nèi)容，即整理并匯報討論。學(xué)生定期對自己的實驗結(jié)果和掌握的知識進(jìn)行總結(jié)匯報，方便老師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況并作出合理的調(diào)整和指導(dǎo)。

預(yù)期教學(xué)效果：預(yù)計整期科研實踐結(jié)束后，學(xué)生可以初步了解當(dāng)下海量數(shù)據(jù)的存儲硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，充分掌握鐵電場效應(yīng)管的工作原理、制備過程、器件性能等信息，學(xué)會如何調(diào)研中外文文獻(xiàn)資料并高效閱讀外文文獻(xiàn)，掌握用專業(yè)的表達(dá)來展現(xiàn)自己的所學(xué)所想，學(xué)會用創(chuàng)新的眼光看待世界。

二? 實驗內(nèi)容和結(jié)果

實驗內(nèi)容包括器件制作和數(shù)據(jù)測量。二維鐵電場效應(yīng)管的詳細(xì)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(zhǔn)備好的載玻片/PDMS/PVA三層結(jié)構(gòu)壓在附有In2Se3樣品的目標(biāo)襯底上，待In2Se3被成功拾取后，再利用專用的二維材料轉(zhuǎn)移平臺將載玻片/PDMS/PVA/In2Se3結(jié)構(gòu)覆蓋在帶有石墨烯的目標(biāo)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(zhuǎn)移到帶有標(biāo)記的新襯底上，進(jìn)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(zhì)結(jié)。在光學(xué)顯微鏡拍下目標(biāo)異質(zhì)結(jié)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(biāo)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(jìn)行了基本的結(jié)構(gòu)驗證，拉曼表征結(jié)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(jìn)行頂柵電壓調(diào)控的電流開關(guān)測試和高低電阻保持特性測量。結(jié)果如圖3（c）和圖3（d）所示，通過頂柵加電壓對鐵電材料進(jìn)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(xiàn)了電阻從低到高的來回調(diào)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(shù)量，從而改變其費米能級的位置，形成n型與p型導(dǎo)體之間的有效調(diào)控。以0電壓時低電阻為基準(zhǔn)，頂柵調(diào)控下電阻可以調(diào)高至約400%，這比同類干法轉(zhuǎn)移實驗結(jié)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(yīng)管的電阻調(diào)控。此外，兩種電阻態(tài)在頂柵電場已經(jīng)撤去的條件下仍具有一定的保持特性，表現(xiàn)出非易失性，這與二維鐵電材料本身的記憶特性有關(guān)。

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(xué)生可以從中找到許多與《大學(xué)物理》課本內(nèi)容的知識連接，例如：①在二維材料的機械剝離和光學(xué)顯微鏡觀察中，學(xué)生可以觀察到不同厚度的薄片在經(jīng)過薄膜干涉后所呈現(xiàn)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(yīng)的理解；②拉曼測試結(jié)果反映出材料中分子的不同震動模式，這一點涉及到物質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)方面的知識，學(xué)生可以理解抽象的晶格震動與具體的震動模式之間的關(guān)聯(lián)；③電子束蒸發(fā)制備電極的過程中，高能電子轟擊金屬顆粒，電子能量轉(zhuǎn)換為熱能，在真空條件下金屬物理直接變?yōu)闅鈶B(tài)，到達(dá)二維材料表面并冷凝成膜，這一系列過程便是大學(xué)物理中熱力學(xué)最基礎(chǔ)的分子動力學(xué)；④在高能電子轟擊金屬顆粒時，電子槍周圍所設(shè)置的磁場可以起到使電子束聚焦于指定區(qū)域，此時電子受到的洛倫茲力也屬于大學(xué)物理中的磁學(xué)基礎(chǔ)；⑤在電學(xué)測試結(jié)果和分析中學(xué)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(xiàn)對二維材料中n型或p型載流子的調(diào)控和保持等效應(yīng)，這部分內(nèi)容可以加深學(xué)生對大學(xué)物理和半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)知識的掌握。諸如此類的知識連接有助于幫助學(xué)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(jié)構(gòu)。

本期科研訓(xùn)練后，老師對團隊中4位隊員的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析總結(jié)。對于從未接觸專業(yè)科研實驗設(shè)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(chǔ)又是關(guān)鍵，其步驟細(xì)節(jié)較多，學(xué)生要先學(xué)習(xí)如何正確使用實驗設(shè)備、工具和化學(xué)試劑，在任何一個步驟里的粗心都可能增加團隊的重復(fù)性工作量，所以需要學(xué)生付出足夠的細(xì)心和耐心。材料的光學(xué)表征和電學(xué)測試部分則需要學(xué)生快速積累專業(yè)的物理知識，而器件制備和測試過程中所用到的專業(yè)實驗設(shè)備、相關(guān)工作原理、測試結(jié)果等，都需要學(xué)生在短時間內(nèi)掌握并且能夠做結(jié)果分析。例如，在前期的文獻(xiàn)調(diào)研過程中，團隊了解到在異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備過程中常用的轉(zhuǎn)移方法是干法轉(zhuǎn)移，目的是得到干凈的物理界面[7]。但是通過重復(fù)對比實驗發(fā)現(xiàn)，濕法轉(zhuǎn)移之后的In2Se3/石墨烯鐵電異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管電學(xué)性能明顯更加優(yōu)異。面對這種不同于傳統(tǒng)結(jié)論的物理現(xiàn)象，學(xué)生們需要從一個全新的視角和高度來看待問題，用創(chuàng)新的思維來重新分析器件物理結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)。對學(xué)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(xué)手段，核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)造力[9]。

雖然該科研訓(xùn)練屬于團隊分工合作，但是單個環(huán)節(jié)出錯在所難免，那么此時，教師作為核心領(lǐng)導(dǎo)者，應(yīng)該給學(xué)生預(yù)留一定的試錯空間，并著力提高團隊的凝聚力，發(fā)揮團隊合作的高效性。該過程不僅有效地鍛煉了學(xué)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(zhì)，更有利于培養(yǎng)青年教師指導(dǎo)學(xué)生團隊的工作能力。然而，學(xué)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(yīng)手，學(xué)習(xí)時間短、效率高，這充分反應(yīng)了當(dāng)代大學(xué)生在計算機操作方面的優(yōu)勢[10]。

四? 結(jié)束語

本期科研實踐按照既定的教學(xué)設(shè)計順利完成。前期文獻(xiàn)資料調(diào)研工作量較大，通過大量外文文獻(xiàn)閱讀和總結(jié)匯報工作的鍛煉，學(xué)生的英文水平和表達(dá)能力明顯提升。器件設(shè)計、制備和電學(xué)測量過程比較精細(xì)繁瑣，需要操作者有足夠的耐心和一定的電學(xué)專業(yè)知識，不僅加深了學(xué)生對物理學(xué)相關(guān)知識的掌握，而且鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。而繪圖軟件學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析等過程則很好地鍛煉了學(xué)生的電腦操作水平和發(fā)散思維。通過這期開放實驗教學(xué)，學(xué)生刻苦努力、共克難關(guān)，培養(yǎng)出了良好的團結(jié)合作意識和艱苦奮斗精神，教師也在與學(xué)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(nèi)涵。將學(xué)生課本所學(xué)的基礎(chǔ)知識與物理科學(xué)前沿相結(jié)合進(jìn)行大學(xué)生開放實驗教學(xué)，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯窈途C合素質(zhì)，而且有助于青年教師課內(nèi)外教學(xué)質(zhì)量的提高。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金-青年項目“非正規(guī)鐵電體BaMF4的磁電耦合效應(yīng)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(dǎo)師。研究方向為鐵電材料及器件。