“薄膜材料及其制備技術”課程科教融合模式探索

摘"要：科教融合是高校培養人才的重要理念。“薄膜材料及其制備技術”作為理工類課程，需要結合教學內容，將科研成果和育人理念融入教學，以期實現理工類課程立德樹人的目的。本文主要在課程內容的基礎上，結合當前科技前沿，同時結合時代背景，積極引導學生對先進前沿的薄膜材料及技術進行調研，開展科教融合的教學模式探索。在理想信念、精神品質、學科知識、思維能力等方面，積極將能力培養和專業知識傳授融合，以期實現科教融合。

關鍵詞：科教融合；薄膜材料；立德樹人

當今國際競爭激烈，我們要探索先進技術，開辟新領域，發展新質生產力，根本上要依靠科技創新。薄膜材料廣泛應用于電子信息產業、節能環保產業、航空航天產業等領域，隨著科技進步發展非常迅速。同時，近年來，光伏、風電、輸變電及新能源行業市場容量穩步增長，為薄膜材料行業的發展提供了廣闊的市場空間。當前新工科背景下，材料類專業課“薄膜材料及其制備技術”應緊密結合科技及應用前沿進行教學。課程內容包括真空技術、物理氣相沉積、化學氣相沉積、薄膜的生長以及薄膜結構、薄膜性能測試技術和表征方法。“薄膜材料及其制備技術”課程的開設旨在引導學生了解薄膜材料和薄膜技術的發展，了解薄膜制備的基礎——真空技術的相關知識，掌握薄膜沉積的技術體系及制備方法，能夠在薄膜沉積中綜合考慮不同因素的影響，如制備工藝參數對薄膜在襯底上的附著力，薄膜結構及厚度均勻性的影響，并掌握薄膜結構、性能的多種表征技術，為將來開展薄膜材料的制備以及應用研究等打下基礎。

當前社會發展突出科技創新引領，需要加快實現高水平科技自立自強。因此，在應對新一輪科技革命和支撐世界科技強國建設的新時代背景下，科教融合教學模式至關重要［1］。因此，在“薄膜材料及其制備技術”課程中，從教學過程中探索挖掘可結合的專業知識，將科研成果、能力培養和專業知識傳授融合，引導學生在學習專業知識技術的基礎上，樹立科學的人生觀和價值觀，培養嚴謹求實的科學態度，建立文化自信，樹立社會責任感和時代使命感［2］。課程主要內容包括薄膜材料及其技術發展概況真空技術基礎、薄膜制備方法、薄膜材料生長機制、薄膜表征、薄膜的性質及應用。本文主要探索在課程內容的基礎上，結合當前科技前沿進行科教融合的教學模式。

1"概述

薄膜材料的研究及技術發展起源于17世紀，之后隨著技術的發展及各種應用的興起，薄膜技術得到了迅速的拓展。特別是20世紀50年代，隨著電子工業和信息產業的興起，薄膜材料及其技術顯示出其特有的優勢，發揮了重要作用。當今社會，航空航天、能源、信息、交通等各個領域，都可以看到薄膜材料的參與。因此，薄膜材料在推動社會進步、技術發展的方向起到不可或缺的作用。薄膜材料也在向綜合、智能、復合、環境友好、節能長壽以及納米化方向發展，它對整個材料的發展起到了推動和促進的作用［3］。目前，全球薄膜沉積設備主要由歐美和日本廠商壟斷市場，他們經驗豐富，因此市場集中度較高。薄膜沉積設備行業壁壘高，海外廠商成立較早，在薄膜和工藝方面不斷突破，技術發展較快，行業集中度較高。因此，我們要加緊步伐，致力于關鍵核心技術難題的突破，實現重點領域、關鍵環節的技術自主可控，打破歐美以及日本的壟斷。通過薄膜產業相關背景知識的介紹，引導學生了解國際形勢，把握基本國情，關心國家大事，關注科技前沿，認清在全球化背景下我國所面臨的機遇和挑戰；樹立使命感和責任感，苦練基本功、樹立報國志，把實現人生理想同祖國的需要結合起來，為將來走出校園，投入社會主義建設做好準備。

2"真空技術基礎

薄膜的制備需要獲得真空，真空的獲得需要借助真空泵。通常從大氣壓開始抽真空，得到所需要的真空度往往需要2～3種真空泵組合起來構成真空排氣系統。例如，采用機械泵和吸附泵等前級泵從一個大氣壓開始抽氣獲得較低的壓力，在此基礎上，進一步采用次級泵從較低的壓力抽到更低壓力下的真空［3］。基于此，可以切入“合作意識”的教育。2023年，博鰲亞洲論壇年會提出“不確定的世界：團結合作迎挑戰，開放包容促發展”的主題，可見團結合作是發展的趨勢。同樣，在科研過程中大協作、大聯合也是獲得科技成果突破的法寶之一，合作對推進科學技術前沿發展具有重要意義。當前科學發展條件下，科研人員的思維方式和科研活動的組織形式日新月異。越來越多的科學工作者，科研機構都采取合作的方式攻克研究中的難題。2017年，我國啟動“一帶一路”科技創新行動計劃，和共建國家建立科技合作關系，“創新絲綢之路”建設欣欣向榮。近年來，與葡萄牙在海洋科學領域的合作越來越密切，雙方共建聯合實驗室，實現科研能力互補，推動了雙方海洋生物科學與技術的研究，提高了兩國海洋生物領域科技創新能力。科研合作對于加快科技創新起到了重要作用。此外，隨著交叉領域研究的興起，合作對于解決問題非常必要。當然，在科研之外，學習生活中許多目標的實現也需要合作來完成。因此，引導學生樹立合作意識，塑造團結合作的理念，為將來進入社會貢獻一己之力。

3"薄膜制備

傳統的薄膜制備方法包括物理和化學方法，主要涉及濺射、離子鍍、外延、化學氣相沉積等，課堂教學主要以傳統制備方法及其原理為主，內容理論性強。因此，可以結合最新科研成果進行介紹。2023年，Nature雜志上發表的關于制備方法的工作中，美國麻省理工學院的研究人員探索開發出一種“非外延單晶生長”的方法，在工業硅晶圓上生長制備出純凈的、無缺陷的二維材料，對于制造越來越小的晶體管非常有利。在此基礎上，該研究組制備出一個簡單的過渡金屬二硫化物（TMD）晶體管，具有良好的電學性能［4］。此類研究工作可以起到為后摩爾時代探路的作用，類似地，引導學生在課堂之外積極查閱最新科研動態，積極探索新方法、新技術，思考目前我們國家面臨的“卡脖子”技術問題等。此外，結合薄膜制備過程中一些基本原則進行擴展，比如選擇襯底的時候，除了從科學的角度上需要遵循一定的原則，還必須結合實際應用、成本、工藝等現實問題進行綜合考慮。在材料、物理方面的知識之外，工藝費用、環保健康因素、效率等則涉及經濟學、環境和人文社科方面的知識。現代社會中，工業技術問題通常是多種因素共同作用的結果，僅靠單一學科的知識往往很難解決，需要融合多學科知識。在介紹基本的實驗細節時，比如處理襯底時，為什么對看似潔凈的襯底仍然需要按照步驟一步一步進行清洗？在清洗的時候，選擇合適濃度的清洗液刻蝕液，處理的時間嚴格按照清理原則進行，才可以避免由于清洗不到位對于后續薄膜的生長帶來的影響，引導學生在科研過程中注重細節，打好基礎，培養良好的實驗習慣，打造精益求精的工匠精神。

4"薄膜材料的形核、生長及表征

在薄膜形核與生長的教學中，學生需要掌握薄膜生長過程中主要的影響因素，設計調整工藝參數去制備需要的薄膜。通過對基于實驗觀測劃分的薄膜生長模式的介紹，引導學生自主分析問題，培養獨立思考并解決問題的能力。在薄膜生長機理的探索中，科學工作者通過大量的實驗，建立模型，反復驗證。但是，由于實驗上遇到的困難以及理論中參數有效性的不確定性，成核理論還需要繼續完善，大量系統的工作還有待完成。通過對理論提出、發展過程的介紹，激發學生的科研興趣，培養探索精神。

薄膜表征的教學中，以磁性薄膜為例，該類薄膜應用于磁存儲介質及磁傳感器中，可用于計算機硬盤、磁隨機存儲器等電子信息器件中，對于信息安全、保護等非常重要。清晰地解析樣品的磁結構，是研究磁性的基礎。磁性薄膜的分析需要反射譜儀，分析磁性薄膜的反射中子的特性是準確地描繪出各層的磁性分布的有效手段。國際上的散裂中子源對反射譜儀的建設十分重視。在我國譜儀建設的過程中，譜儀科學家朱濤的經歷值得學習。作為譜儀科學家，形成自己的研究興趣、具有獨立的研究能力以及完整的研究經歷，有助于更好、更有效地與用戶溝通，幫助指導用戶利用譜儀進行研究，產出高水平高質量的研究成果［5］。

5"薄膜的性質及應用

不同的薄膜有不同的性質及應用。比如半導體器件、集成電路中使用的各類材料，導電材料與介質薄膜材料，超導薄膜材料，光學薄膜材料，智能薄膜材料等。根據應用、功能的不同，需要對薄膜材料進行客觀評價，測定各種特性和效應。結合科學前沿，向學生介紹薄膜的性質應用，并引導學生在這些前沿科技上拓展、調研。中國科學技術大學俞書宏院士團隊基于仿生結構制備出了高性能透明可折疊薄膜，研究表明該薄膜的力學、熱力學和光學特性優異，可用于精密光學器件和柔性電子器件領域，基于該薄膜制備了近場通信電路電子器件。清華大學任天令教授團隊利用具有超薄單原子層厚度以及其優異導電性能的石墨烯薄膜，首次制備出具有良好電學性能的亞1納米柵極長度的晶體管。美國斯坦福大學的一項研究展示了一種多層薄膜傳感器，可應用于人造電子皮膚，邁出了模仿人類皮膚的關鍵一步。人造皮膚由不同的功能層組成，每層功能層薄膜厚度可薄至1微米，甚至更薄。因此，10層或更多功能層堆疊在一起的厚度不超過一張紙。該傳感器充分利用了不同功能層材料不同的特性，如感應熱、外力等特性，可以分別對溫度、壓力感應［6］。

6"薄膜與社會熱點

新一輪能源危機已經逐步上演，應對該危機已成為全球性問題。2023年博鰲新型電力系統國際論壇提出“開放·合作·共享，推進能源綠色低碳發展”的主題，探索新型電力系統發展路徑，以實現“碳達峰碳中和”目標。近幾年，美、歐等發達經濟體均將薄膜太陽能列入戰略發展方向，加緊布局技術研發和產業化。因此，作為新時期的學生，可以增強理論知識儲備，多了解新能源技術如薄膜太陽能技術等。

同時，隨著全球工業化進程的不斷推進，引發的系列環境問題日益嚴重，成為人類關注的熱點問題之一。其中包括氣體污染，其加劇導致了全球氣溫的升高。在減少產生污染氣體的基礎之上，將現有排放系統中的這類氣體捕獲下來，阻止其排放到大氣環境中，也是減少大氣污染的重要方式。在捕獲這些氣體時，薄膜分離材料能實現高效的氣體分離，故能成為助力實現“雙碳”目標的重要手段。Metalorganic"Framework（MOF）薄膜是其中強有力的候選者。近期，蘇州大學副教授劉琦及其合作者通過探索合成方法，將MOF薄膜的厚度降低到理論極限值，發表了目前公開報道中最薄的MOF薄膜，其單一晶胞的厚度僅有2nm。該MOF薄膜具備分子篩分的能力，能用于分離氣體。并且該方法具有較好的普適性，為MOF極薄薄膜的發展提供新思路［7］。同時，可以結合該研究背后的事跡，研究者對如何確定課題，如何解決實驗制備、表征中遇到的難題，最后如何成功發表該工作進行介紹，增加學生的科研經驗值，培養其科研能力。

結語

高等教育不僅要滿足當前國家關鍵領域急需人才培養的需求，還必須系統謀劃、統籌全局，培養未來科技領軍人才及大批高素質的創新創業人才，因此，貫徹和實施科教融合的教學模式至關重要。“薄膜材料及其制備技術”等理工類課程的教學，需要結合時代背景，切實提高課程內容教學設計和教學延伸，在理想信念、精神品質、學科知識、思維能力等方面，積極將能力培養和專業知識傳授融合。除了課堂上教師的介紹，課外也需要積極引導學生對先進的、前沿的薄膜材料及技術等調研，了解目前薄膜領域的最新動態，從文獻或者新聞中獲得知識，從而在實現理工類課程立德樹人目的的基礎上，有效地實現科教融合。

參考文獻：

［1］李建春，劉辛夷.科教融合：緣起、問題與路徑：創新人才培養模式的變革與實踐［J］.寧波教育學院學報，2020，22（03）：14+83.

［2］鄧崇海，王黎麗，姚李，等.工程認證背景下物理化學模塊化教學實踐與思考［J］.廣州化工，2020，48（13）：121123.

［3］鄭偉濤.薄膜材料與薄膜技術［M］.2版.北京：化學工業出版社，2007.

［4］KIM"K"S，LEE，D，CHANG"C"S，et"al.Nonepitaxial"singlecrystal"2D"material"growth"by"geometric"confinement［J］.Nature，2023（614）：8894.

［5］田瑞穎.薄膜材料的微觀探針［N］.中國科學報，2019822（8）.

［6］張佳欣.人造電子皮膚破損后可自行修復［N］..科技日報，20230605（04）.

［7］LIU"Q，MIAO"Y，VILLALOBOS"L"F，et"al.Unitcellthick"zeolitic"imidazolate"framework"films"for"membrane"application［J］.Nat"Mater，2023（22）：13871393.

基金項目：國家自然科學基金面上項目（編號：12374093，52122205，52072324）；湖南省自然科學基金面上項目（編號：2023JJ30592）

作者簡介：鄭帥至（1984—"），女，漢族，福建莆田人，博士，副教授，主要從事功能材料與器件研究。

*通訊作者：廖敏（1983—"），男，漢族，湖南衡陽人，博士，教授，主要從事鐵電存儲器和氧化物半導體器件研究。