《纳米材料》(教案大纲)

本科课程教学大纲课程名称纳米材料二〇二三课程教学大纲（编写日期：2023年06月）一、课程基本信息纳米材料Nanomaterials课程类别专必,专选课程编码MSE304开课单位材料科学与工程学院学分2学时36授课年级大三、大四面向专业/大类材料Materials课程负责人彭飞先修课程大学物理，固体物理，量子力学，工程数学是否为一年级大类基础课程，且期末考核形式为“考试”否课程目标本课程是为进入专业学习阶段的工科和理科本科生开设的专业基础课，目的是增强学生对纳米技术、纳米结构材料的基本原理、方法、研究特点、应用及发展方向有较全面的了解，为学生将来进一步学习相关课程或从事相关研究打下良好的理论基础。同时在方法学方面也有所了解和提高。本课程要求学生已具备物理、材料等方面的基本理论知识。课程基本要求：牢固掌握纳米技术、纳米结构材料的基本概念、基本理论、基本研究方法和手段。掌握纳米结构材料和技术与宏观材料之间的关系，掌握科学分析问题的方法。了解纳米结构材料和器件基本制备方法、结构和性能分析、以及应用原理。了解相关纳米技术的最新动态和发展方向。考虑到总学时数少（36学时），而纳米结构材料和技术涉及到几乎所有的自然科学和工程技术学科，在实施教学时，建议注意教学内容的合理组织，侧重各种物理图象的阐述，避开烦琐的理论推导过程。同时通过激发学生的创新思维，提出假想问题、设计实验和制备方案，领会纳米技术基本理论和研究方法。二、课程基本内容（要求有一定的字数，不能过于简单）（一）教学进度表章节次序及名称(细化至节，必填)主要教学内容(必填)所需学时(必填)育人元素重点、难点(选填)周次(选填)备注(选填)第一章绪论1.1自然界中的纳米材料1.2纳米材料及纳米技术发展历程1.3基本概念：纳米材料、纳米理论、纳米技术等2介绍我国古代铜镜中蕴含的纳米材料元素，结合绪论中提到的各国纳米材料科技进展，介绍我国科学家卢柯院士和江雷院士在纳米金属材料及界面纳米材料方面的突出贡献。纳米材料概念第1周第二章：纳米结构基本单元及理论2.1基本纳米结构单元2.2纳米材料分类2.3基本理论纳米效应产生的基本原理及与尺寸的关系2.3.1量子尺寸效应2.3.2小尺寸效应2.3.3表面效应2.3.4量子隧道效应2.3.5库仑堵塞效应2.3.6介电限域效应2结合基本结构单元中一维、二维纳米材料的介绍，提到我国在芯片纳米器件方面遇到的卡脖子难题，鼓励大家努力学习，以科学技术服务国家社会。纳米材料量子尺寸效应、小尺寸效应、量子隧道效应第2周第三章：纳米结构典型效应3.1纳米材料物理特性3.1.1热学（熔点、烧结温度、晶化温度、比热、膨胀系数）3.1.2光学（宽频带强吸收、蓝红移、发光、纳米分散系光学特性）3.1.3电学（导电性、介电性）3.1.4磁学（超顺磁、矫顽力、居里温度、磁化率、饱和磁化强度、巨磁电阻效应）3.1.5力学（弹性模量、硬度、超塑性）3.1纳米结构物理特性热学特性（熔点、烧结温度、晶化温度等）光学特性（宽频带强吸收、蓝红移等）电学特性（电导量子化、介电性），磁学特性（超顺磁、矫顽力、居里温度等），力学特性（弹性模量、硬度、超塑性）3.2纳米结构化学特性2介绍具有低熔点纳米材料在冶炼技术及国产芯片制造上的应用。纳米材料热学、光学、磁学特性第3周第三章：纳米结构典型效应3.1纳米结构物理特性热学特性（熔点、烧结温度、晶化温度等）光学特性（宽频带强吸收、蓝红移等）电学特性（电导量子化、介电性），磁学特性（超顺磁、矫顽力、居里温度等），力学特性（弹性模量、硬度、超塑性）3.2纳米结构化学特性2介绍纳米材料由于量子尺寸效应在波吸收方面的应用及其在国产隐形飞机等国防上的应用。纳米材料热学、光学、磁学特性第4周第三章：纳米结构典型效应3.1纳米结构物理特性热学特性（熔点、烧结温度、晶化温度等）光学特性（宽频带强吸收、蓝红移等）电学特性（电导量子化、介电性），磁学特性（超顺磁、矫顽力、居里温度等），力学特性（弹性模量、硬度、超塑性）3.2纳米结构化学特性2介绍具有优良力学性能的纳米材料在大国重器等高精尖设备中的应用。纳米材料热学、光学、磁学特性第5周第四章：纳米材料合成与制备4.1自上而下、自下而上制备方法纳米结构的气相合成（PVD、CVD等），纳米结构的液相合成方法（沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、模板法等），纳米结构的固相高能球磨机械加工等4.2自组装方法4.3仿生纳米结构及制备2介绍国产手机中涉及的PVD工艺。纳米结构的气相合成法第6周第四章：纳米材料合成与制备4.1自上而下、自下而上制备方法纳米结构的气相合成（PVD、CVD等），纳米结构的液相合成方法（沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、模板法等），纳米结构的固相高能球磨机械加工等4.2自组装方法4.3仿生纳米结构及制备2结合CVD方法的讲授，介绍我国自主研发的第一台CVD设备，科学家自主研发突破了欧美对国内技术的封锁。纳米结构的气相合成法第7周第五章：纳米材料的结构分析方法简介5.1结构分析（电子显微镜、扫描探针显微镜等直接观测方法与衍射技术、其它磁、电、光、波谱等间接测试方法5.2成分分析(微区电子能谱及离子质谱等)5.3性能分析（原位力学、电学性能测试等）2介绍我国在自主研发原位电镜技术上的进展。纳米材料结构分析的电镜技术第8周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之一6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍国产的纳米医用制剂。催化纳米材料第9周期中复习上半学期内容复习0无第10周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之二6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍我国自主研发的超顺磁纳米粒在医学诊断等方面的应用。催化纳米材料第11周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之三6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍纳米陶瓷及其在大国重器上的应用催化纳米材料第12周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之四6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2阐明纳米推进剂对于我国火箭比冲的重要性。介绍我国航空航天事业中，突出的纳米材料应用。催化纳米材料第13周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之五6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍催化型纳米材料在环境治理中的应用，并且强调绿水青山就是金山银山的意义。催化纳米材料第14周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之六6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍我国光伏产业的发展趋势。第15周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之七6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍王中林院士等中国科学家在压电纳米材料上的前驱工作。第16周第六章：纳米结构和技术的几种典型应用之八6.1，生物医用纳米材料（6学时）药物递送纳米材料，诊断纳米材料，治疗纳米材料6.2，催化纳米材料（4学时）贵金属/过渡金属氧化物纳米粒催化剂，纳米膜催化剂6.3，能量转化纳米材料（6学时）光电纳米材料，压电纳米材料，热电纳米材料2介绍纳米材料在国防上的应用第17周第七章：纳米结构器件和系统7.1纳米器件的制备组装光刻技术，刻蚀，自组装7.2纳米器件的典型应用2介绍国家在纳米生物芯片、纳米电子芯片上的最新进展，鼓励大家系统应用纳米材料知识，面向国家社会需求，提升自我。光刻技术第18周期末习题课对全课程的重难点习题进行系统讲解2无第19周合计:36（二）教学环节安排（对各种教学环节的安排如：实验、实习、习题课、作业等以及本课程与其他相关课程的联系、分工等作必要说明，教学环节的安排体现高阶性、创新性、挑战度）课程包括以下教学和训练环节：①基础知识与理论课；②课外作业；③每次课外作业完成后进行习题批改情况分析总结；④答疑与讨论。（三）教学方法（包括课堂讲授、提问研讨，课后习题和答疑等情况，要增加团队学习、小组大作业、实验课和理论课的结合、使用信息技术方法、由教师和知识为中心转化为以学生和学习为中心）课堂讲解与课堂练习、课堂讨论先结合的方式。同时通过课外作业和辅导增强学生的认识和熟练应用方法的能力。（四）课程教材（主讲教材尽量使用“马工程”和国家规