葛惟昆

(清華大學(xué)物理系，北京 100084)

在學(xué)校和物理系的大力支持下，由“清華學(xué)堂物理班”首席教授朱邦芬院士倡議、策劃，通過相關(guān)教師和實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中心技術(shù)人員一年多的共同努力，“清華學(xué)堂物理班科研實(shí)踐基地”于2013年12月19日正式啟動。

啟動儀式由項(xiàng)目主任李師群教授主持，朱邦芬院士和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備處聞星火副處長共同為基地掛牌，他們和物理系副主任阮東教授先后致辭。

朱老師首先指出物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)研究在物理學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了不可或缺的重要作用。他說明基地的功能有3項(xiàng)：

(1) 為同學(xué)們提供自主開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的園地；

(2) 作為準(zhǔn)備各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)競賽的場所；

(3) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)培訓(xùn)的平臺。

聞處長和阮主任都對建設(shè)科研實(shí)踐基地的創(chuàng)舉給予高度評價，期待它為培養(yǎng)有突出實(shí)驗(yàn)技能的物理學(xué)家作出貢獻(xiàn)。物理系老前輩熊家炯教授也即席發(fā)言，熱烈祝賀基地的建成。教務(wù)處代表、基地任課老師和實(shí)驗(yàn)中心多位老師都參加了啟動儀式。

從此，科研實(shí)踐基地(以下簡稱“基地”)成為“清華學(xué)堂物理班”著力建設(shè)的重要活動平臺，特別針對當(dāng)前重理論、輕實(shí)驗(yàn)的不良傾向和缺乏實(shí)踐能力的弱點(diǎn)，期望借助實(shí)踐基地的推動，物理學(xué)堂班的同學(xué)們能夠受到更全面的培育，提高實(shí)驗(yàn)技能、發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神。

基地設(shè)在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中心，中心主任張留碗老師和副主任常纓老師給以指導(dǎo)和協(xié)調(diào)， 中心老主任葛惟昆老師具體負(fù)責(zé)?；貙?shí)驗(yàn)室目前包括“納米制備與器件” (在納米中心)、“電子學(xué)”和“光學(xué)”3部分?；亻_設(shè)兩種課程：基礎(chǔ)培訓(xùn)課和實(shí)驗(yàn)課。先后任課的老師有姜開利、李群慶、蔣碩、寧傳剛、王曉峰和張有宏等，參與技術(shù)支持的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員有陳默軒、丁小冬、常纓、付敏學(xué)和張釗等老師，目前每個學(xué)年報名參加基地活動的學(xué)堂班同學(xué)大約在20～30名左右?；匾矔鸩较蛉w同學(xué)開放。利用實(shí)驗(yàn)室外的其他條件，還可以開展天文觀測、機(jī)加工基礎(chǔ)培訓(xùn)等活動。

在基礎(chǔ)培訓(xùn)課方面， 除“納米制備與器件”、“電子學(xué)”和“光學(xué)”3部分， 還有王曉峰老師講授的“天文學(xué)”講座。

此外，基地也為CUPT等物理實(shí)驗(yàn)競賽提供準(zhǔn)備的場地，并鼓勵同學(xué)開展自行設(shè)計(jì)和研究型實(shí)驗(yàn)。

1 關(guān)于課程

1.1 光學(xué)課

從2013年開始，蔣碩和丁小冬兩位老師設(shè)計(jì)搭建了一系列光學(xué)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于讓學(xué)生掌握在科研實(shí)踐中廣泛用到的基礎(chǔ)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和學(xué)習(xí)使用實(shí)驗(yàn)儀器，而不是僅僅驗(yàn)證些現(xiàn)象。這些光學(xué)實(shí)驗(yàn)包括：(1)光路調(diào)節(jié)；(2)光束整形；(3)光纖耦合；(4)頻譜分析；(5)偏振控制；(6)外腔半導(dǎo)體激光器(ECDL)搭建。

自2014—2015年度春季學(xué)期開始，這一系列實(shí)驗(yàn)成為研究性實(shí)驗(yàn)選題課程的光學(xué)部分，迄今為止已經(jīng)開了4次課，有32位學(xué)堂班/物理系同學(xué)選修了光學(xué)部分實(shí)驗(yàn)課程。學(xué)生反映良好。

1.2 電子學(xué)

電子學(xué)部分由寧傳剛老師負(fù)責(zé)， 張釗老師協(xié)助。具體內(nèi)容如下：(1) 電子學(xué)基本知識：如工具的使用，同軸電纜制作，阻抗匹配等方面的知識。(2) 三極管，運(yùn)算放大器的基本知識：搭一個小電路，了解放大器各參數(shù)對信號放大的影響。(3) 設(shè)計(jì)一個電路，包括畫原理圖，畫PCB板，聯(lián)系廠家加工，購買元器件，焊電路板，調(diào)試電路；(先后制作了測量Muon壽命的電路，空氣顆粒物數(shù)密度測量電路，高壓快速脈沖開關(guān)電路)。(4) 用所制作的電路進(jìn)行實(shí)際測量。已經(jīng)開了4次課，有14位學(xué)堂班/物理系同學(xué)選修了電子學(xué)部分實(shí)驗(yàn)課程。

1.3 微納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)與納電子器件

微納米電子學(xué)部分由姜開利和李群慶老師負(fù)責(zé)。

納米加工技術(shù)的興起與發(fā)展極大地推動了各個科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。隨著材料尺度的減小，由于表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)的影響，材料的物理性能和器件性能都會發(fā)生顯著的變化，因此一維以及二維材料成為近年來的研究熱點(diǎn)。將納米尺度甚至原子層次的微納米加工技術(shù)與之結(jié)合，有可能發(fā)現(xiàn)材料在納米尺度下新的物理性質(zhì)和器件功能。因此，微納米加工技術(shù)是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)與器件微納米化的基礎(chǔ)。借助微納米加工技術(shù)，我們可以根據(jù)需要來設(shè)計(jì)、制備具有優(yōu)異性能的納電子學(xué)器件、納米光學(xué)器件以及光電子器件。

本課程首先講述了微納米加工技術(shù)的工藝流程、原理和進(jìn)展。以基于二維納米材料石墨烯的場效應(yīng)電學(xué)器件的制備為例，帶領(lǐng)學(xué)生們從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，學(xué)習(xí)了石墨烯轉(zhuǎn)移方法、電子束曝光技術(shù)、蒸發(fā)鍍膜技術(shù)、刻蝕技術(shù)等器件制備技術(shù)，之后利用原子力顯微鏡等顯微觀測手段、拉曼光譜表征技術(shù)對納米材料和器件進(jìn)行了表征分析，最后利用探針臺和半導(dǎo)體參數(shù)測試設(shè)備對石墨烯場效應(yīng)管進(jìn)行了電學(xué)性能測試。根據(jù)測試結(jié)果提取了器件的遷移率和接觸電阻等關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)，分析了影響器件性能的可能影響。

本課程的設(shè)計(jì)初衷是希望給學(xué)生一個完整的科研訓(xùn)練，也基本達(dá)到了這一目的。學(xué)生們表示通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握了實(shí)際科研所要用到的基本技能，獲得了真正實(shí)用的知識，了解了科研工作的方式方法，對于今后的seminar工作有很大的促進(jìn)作用。

2 實(shí)踐基地對實(shí)驗(yàn)競賽發(fā)揮了重要作用

中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(英文簡稱CUPT)是一項(xiàng)以團(tuán)隊(duì)對抗為形式的物理競賽。每屆比賽共有17個開放性的物理題目，培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維能力和分析解決實(shí)際物理問題的能力。參賽學(xué)生就這些實(shí)際物理問題的基本知識、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等進(jìn)行辯論性比賽。

CUPT采用國際IYPT的題目和賽制，選擇題目通常來自生活的物理現(xiàn)象和成本較低的小實(shí)驗(yàn)。學(xué)生從閱讀文獻(xiàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而提出物理模型解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，到撰寫論文并參加比賽展示自己的成果，對學(xué)生基本科研能力和規(guī)范是很好的訓(xùn)練，也是先期體驗(yàn)科研的一種很好的方式。實(shí)踐基地是學(xué)生開展這項(xiàng)比賽的重要場所，從成立到現(xiàn)在，每年比賽都有約10人在實(shí)踐基地開展實(shí)驗(yàn)探究，特別是假期，主力隊(duì)員更是長時間泡在實(shí)驗(yàn)室，這可能是實(shí)踐基地利用最充分的一個功能。

CUPT鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)科研素質(zhì)，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、團(tuán)隊(duì)合作精神、交流表達(dá)能力。清華大學(xué)物理系鼓勵和支持學(xué)生參加學(xué)術(shù)競賽。科研實(shí)踐基地為學(xué)生參加比賽提供了非常好的條件。參賽隊(duì)伍由寧傳剛、陳宏老師帶隊(duì)，葛惟昆老師也曾經(jīng)到比賽現(xiàn)場觀摩。學(xué)生在基地討論實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)探討和改進(jìn)，并進(jìn)行結(jié)果的分析?；亟o學(xué)生提供了時間靈活的科技創(chuàng)新空間和實(shí)驗(yàn)器材及良好的氛圍。學(xué)生樂在其中，通過參加清華大學(xué)校內(nèi)選拔賽、華北地區(qū)賽及全國的學(xué)術(shù)競賽，鍛煉了自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，拓寬了知識和視野，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，同時在物理理論、物理實(shí)驗(yàn)、物理仿真、物理建模等各方面都有了較大的提高，在比賽中也取得了較好的成績。

學(xué)生競賽的實(shí)驗(yàn)照片

3 自主開展實(shí)驗(yàn)研究

鼓勵學(xué)生到實(shí)踐基地自主開展實(shí)驗(yàn)研究是建設(shè)基地的一大初衷，但目前還沒有充分展開。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)中心針對物理系的學(xué)生，在其大二下的時候開設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)課程。研究性實(shí)驗(yàn)課程所涉及的實(shí)驗(yàn)，大部分是基于已經(jīng)做過的實(shí)驗(yàn)，但是在此基礎(chǔ)上，由教師提出一些研究性內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)這些研究性內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)室提供的積木式儀器(通常比較原始)，自行設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)，完成數(shù)據(jù)分析和報告的撰寫。研究性內(nèi)容在講義和教案中沒有指導(dǎo)內(nèi)容，學(xué)生必須自己去尋找參考書和參考文獻(xiàn)。這里舉兩個實(shí)驗(yàn)為例：用小數(shù)重合法精確測量F-P干涉儀的厚度，或者用F-P干涉儀測量H-D光譜的波長差。

除此之外，研究性實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)教師還會設(shè)計(jì)和提出一些實(shí)驗(yàn)性內(nèi)容，可能是學(xué)生并沒有接觸過。例如，教師提供漂移室探測器和閃爍體探測器，然后讓學(xué)生準(zhǔn)備電子學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)施宇宙射線成像、謬子衰變的極化效應(yīng)和電子漂移速度的測量等實(shí)驗(yàn)。每個實(shí)驗(yàn)均由3位同學(xué)組成團(tuán)隊(duì)來完成。

這些研究性實(shí)驗(yàn)，對于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)分析能力，成效比較顯著。有些實(shí)驗(yàn)經(jīng)過學(xué)生的幾次嘗試和測試之后，可以成功推廣為廣大學(xué)生使用。有一些由上述研究性實(shí)驗(yàn)所開發(fā)出來的實(shí)驗(yàn)裝置或者實(shí)驗(yàn)方案，獲得過清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)貢獻(xiàn)一等獎、全國大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器評比一等獎等獎項(xiàng)。