《光电材料物理基础》教学大纲

《光电材料物理基础》课程教学大纲课程英文名PhysicalFundamentalsofOptoelectronicMaterials课程代码05M0097学分2总学时32理论学时32实验/实践学时0课程类别专业教育课课程性质任选先修课程材料物理性能、大学物理适用专业材料科学与工程开课学院材料与化学学院一、课程地位与课程目标（一）课程地位光电材料在能源、传感、探测、显示、通信、存储、高精尖设备等领域发挥着越来越重要的作用，是当前国际材料领域研究的热点。《光电材料物理基础》课程是在此背景下材料科学与工程一级学科下设的专业教育选修课，它是材料科学与工程专业本科生在完成通识教育课和学科基础课后，为光学材料方向学生设置的专业教育选修课（4选3），是材料科学与工程类专业培养的重要组成课程。通过对《光电材料物理基础》课程的学习，可使学生理解半导体光电材料基本原理；掌握光转换为电（太阳电池、光探测器）、电转换为光（发光二极管）、光光转换（上/下转换、激光器）内在的物理机制，从而提高学生对光电材料与器件的认识，进而培养学生运用光电材料物理原理分析和解决复杂工程问题的能力。（二）课程目标掌握半导体物理与半导体器件物理的基本原理，培养学生针对材料光电特性等复杂工程问题，分析影响因素，并获得结论；掌握光电材料中涉及的光电、电光、光光转换的基本原理，培养学生严谨且系统考虑问题的能力，能够在材料设计中，从国家需求、环境、社会可持续发展综合分析和评价新材料设计、制备及工程实践；理解并掌握新材料产品设计和实施全周期、全流程的过程管理，对实际应用中发现的复杂工程问题，能够从多学科、全周期的角度综合考虑，系统分析其影响因素，运用工程管理与经济决策方法提出合理的解决方案。二、课程目标达成的途径与方法《光电材料物理基础》课程教学以课堂教学为主，结合自主学习，针对光电材料涉及的基本物理概念与原理，学习光电材料基础的基本知识点和解决光电、电光、光光转换方面的实际问题。培养学生理解光电材料的基本属性，运用相关基础知识，分析和解决材料科学与工程领域复杂工程问题的能力。同时，培养学生的社会责任感和时代使命感，塑造出具有正确价值观、良好能动性、丰富知识储备的“三位一体”型人才。具体达成的途径与方法如下：课堂教学主要讲述半导体光电材料的基本特性和光电、电光、光光转换的原理。将简单的应用实例融入理论教学中，使学生能够更加容易理解抽象的理论知识点，提高学习兴趣。同时，熟悉光电材料与器件的理论知识体系，形成良好的思维方式和学习方法。在课堂教学中利用雨课堂充分互动，提高教学效果；充分借助雨课堂、BB平台、互联网等现代教学手段，鼓励学生积极思考实际生活中涉及的光电材料，运用所学知识对其性能进行评价、表征，并提出性能改善的方法，培养学生独立思考的意识和自主学习的能力。针对光电材料物理基础的知识点理解，采用课堂测验教学方式，培养学生理论知识的理解与应用能力。在课堂教学的基础上，列出部分光电材料与器件相关的热点应用和国家关切的问题，以自主学习（文献综述）和讨论（课堂PPT讲解）的方式充分发挥学生的自主能动性，培养学生发现、分析、解决复杂工程问题的能力；三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度毕业要求2-3毕业要求7-2毕业要求11-2课程目标（1）0.70.10.2课程目标（2）0.10.60.3课程目标（3）0.20.30.5毕业要求指标点支撑权重（2）问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，通过合适的科学原理和抽象模型识别和表达复杂工程问题，通过查阅文献、标准、规范规程，分析新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面复杂工程问题，能获得有效结论。2-1能够运用相关科学原理认识、判断需要解决的新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等复杂工程问题；2-2能够运用自然科学和工程科学的基本原理、数学模型方法、文献研究来表达和分析复杂工程问题；2-3能够针对新材料产品设计、工艺路线、性能检测、质量管理等复杂工程问题建立评价标准、分析影响因素、获得结论。0.5（7）环境与可持续发展：能够理解和评价针对新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面的复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。7-1理解新材料开发及工程应用与环境保护和社会可持续发展的关系；7-2能够从环境、社会可持续发展分析和评价新材料设计、制备及工程实践的可持续性，评价新材料产品研发、生产周期对于人类和环境的影响。0.4（11）项目管理：理解并掌握新材料产品设计和实施全周期、全流程的过程管理、成本分析与决策方法，并能在多学科环境中应用。11-1理解新材料研发、生产及工程应用过程中涉及的重要管理与经济决策方法；11-2了解新材料研发、生产及工程应用中全周期、全流程的成本构成，能够综合工程活动中的多学科因素，运用工程管理与经济决策方法进行合理分析。0.35四、课程主要内容与基本要求知识点主要内容基本要求1绪论（1）半导体光电材料简介L1（2）半导体光电材料与器件的应用L12半导体物理基础（1）能带理论、半导体电子和空穴L2（2）杂质和缺陷能级L3（3）费米能级与掺杂半导体L2（4）同质和异质pn结及其电流电压特性L3（5）半半/金半接触能带图L33太阳电池和光电二极管（1）半导体光吸收L2（2）光生伏特效应L3（3）太阳电池的I-V特性L3（4）影响太阳电池转换效率的因素L2（5）太阳电池的类型及发展趋势L1（6）光电二极管的基本结构和工作原理L14发光二极管和激光器（1）发光二极管简介L1（2）辐射与非辐射复合L2（3）LED的基本结构和工作原理L3（4）LED的特性参数L2（5）LED的类型及发展趋势L1（6）半导体激光器及探测器L15光光转换（1）量子点的光学特性L3（2）量子点荧光探针L2（3）上/下转换材料L3（4）光光转换器的研究进展及应用L1基本要求：L1-理解，L2-掌握，L3-熟练掌握五、课程教学学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标第一章（2学时）（1）半导体光电材料简介1自主选择一种与光电材料及应用相关的热点问题进行调研课程目标3（2）半导体光电材料与器件的应用1第二章（8学时）（1）能带理论、半导体电子和空穴2课前复习固体物理等相关知识，掌握半导体导电特性、能带图等课程目标1（2）杂质和缺陷能级1（3）费米能级与掺杂半导体1（4）同质和异质pn结及其电流电压特性2解析不同偏压下pn结的内建电场变化并画出能带图课程目标1（5）半半/金半接触能带图2第三章（9学时）（1）半导体光吸收1课前学习光态下pn结的变化并画出能带图，自主学习准费米能级，计算半导体禁带宽度课程目标1课程目标2（2）光生伏特效应1（3）太阳电池的I-V特性2理解制约太阳电池转换效率的主要因素和其内在关系，利用所学知识分析太阳电池相关数据并提出解决方案课程目标2课程目标3（4）影响太阳电池转换效率的因素2（5）太阳电池的类型及发展趋势2课前学习太阳电池的类型、优缺点、应用范围，从环保、可持续发展角度考虑其发展趋势课程目标2课程目标3（6）光电二极管的基本结构和工作原理1课前复习半导体物理，完成课后作业课程目标1第四章（8学时）（1）发光二极管简介1理解LED的工作原理和基本结构，完成课后作业课程目标1课程目标2（2）辐射与非辐射复合1（3）LED的基本结构和工作原理2（4）LED的特性参数1理解制约LED性能的主要因素和其内在关系，利用所学知识分析相关数据并提出解决方案课程目标2课程目标3（5）LED的类型及发展趋势2课前学习LED的类型、优缺点、应用范围，从环保、可持续发展角度考虑其发展趋势课程目标2课程目标3（6）半导体激光器及探测器1理解相关知识课程目标2第五章（5学时）（1）量子点的光学特性1掌握光光转换、探测的基本原理，完成课后作业课程目标1课程目标2（2）量子点荧光探针1（3）上/下转换材料1（4）光光转换器的研究进展及发展趋势2课前学习光光转换器的类型、优缺点、应用范围，从环保、可持续发展角度考虑其发展趋势课程目标2课程目标3备注：根据学生学情适当调整教学进度，通过测验来对学生学习情况进行考核。六、考核方法及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核课堂测验：含课堂讨论发言、案例讲解、雨课堂答题和BB平台参与度雨课堂形成性报告，BB平台使用情况，案例讲解情况30%过程考核课后作业完成情况、到课率作业完成情况，课堂到课情况20%期末考核课程论文课程论文考核评分表50%考核类别考察成绩登记方式百分制七、推荐教材与主要参考书1.推荐教材《光电材料》，黄书万，上海科学技术出版社，19872.主要参考书：《半导体物理学》，叶良修，高等教育出版社，2007《固体光电子学》，傅竹西，中国科技大学出版社，2012《固体物理学》，黄昆，高等教育出版社，1988《半导体器件物理》第二版，孟庆巨，科学出版社，2009《Thin-FilmSiliconSolarCells》，ArvindShah，EPFLpress，2010《太阳能电池基础与应用》，熊邵珍，科学出版社，2009《SolarEnergy》，MiroZeman，DelftUnivers