于迎輝

（湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

引言

表面科學(xué)主要是研究固-液、固-真空、固-氣和液-氣界面處的物理和化學(xué)現(xiàn)象，涉及領(lǐng)域廣泛，涵蓋物理學(xué)、晶體學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)等。其作為物理和化學(xué)研究中的一個(gè)新興分支學(xué)科，具有很大的挑戰(zhàn)性。物質(zhì)表面的性質(zhì)往往與體相有著很大的差異，根本原因在于表面原子原先在體相中的對(duì)稱性和環(huán)境被突然破壞。表面科學(xué)按學(xué)科屬性一般分為表面物理和表面化學(xué)，二者也融合在一起。表面化學(xué)偏重于研究實(shí)現(xiàn)具體化學(xué)現(xiàn)象的方法，而表面物理試圖揭示相關(guān)物理現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)。目前，在國(guó)內(nèi)外許多高等院校和研究機(jī)構(gòu)中，表面科學(xué)是物理和化學(xué)領(lǐng)域研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課；由于涉及表面基礎(chǔ)理論和復(fù)雜的具體研究，內(nèi)容比較深?yuàn)W，在本科教學(xué)中并無(wú)涉獵。然而，考慮到國(guó)內(nèi)普通高校本科生在入學(xué)兩三年后，已經(jīng)學(xué)習(xí)了固體物理、半導(dǎo)體物理，熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和量子力學(xué)等課程，接受表面科學(xué)的相關(guān)知識(shí)并不是特別困難。另外，由于就業(yè)形勢(shì)的嚴(yán)峻及用人單位對(duì)學(xué)歷的要求提高，相當(dāng)一部分本科生選擇攻讀研究生，在本科階段開(kāi)設(shè)表面科學(xué)課程，有助于將來(lái)更好更快地融入后續(xù)的研究工作當(dāng)中。因此，為高年級(jí)本科學(xué)生開(kāi)設(shè)表面科學(xué)課程是可行的，也是必要的，有助于激發(fā)學(xué)生從事表面科學(xué)研究的興趣。

1 適合本科教學(xué)授課的內(nèi)容

1.1 表面科學(xué)發(fā)展史

早在18 世紀(jì)，科學(xué)家就開(kāi)始了對(duì)物質(zhì)表面的研究，例如催化、電化學(xué)以及表面熱力學(xué)研究等。1877 年，吉布斯建立了劃時(shí)代的熱力學(xué)理論，包括表面熱力學(xué)理論，引入了新的狀態(tài)函數(shù)——自由能和化學(xué)勢(shì)的概念；1900 年，朗格繆爾提出了催化、吸附結(jié)構(gòu)、功函數(shù)等概念，開(kāi)拓了化學(xué)學(xué)科的新領(lǐng)域——界面化學(xué)；1905 年，愛(ài)因斯坦對(duì)赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋，促進(jìn)了表面科學(xué)量子理論的出現(xiàn)。19 世紀(jì)30 年代起，表面電子態(tài)、物理/化學(xué)吸附、金屬/半導(dǎo)體界面理論相繼提出。雖然早期理論研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是實(shí)驗(yàn)研究卻一直裹足不前。直到20 世紀(jì)中期后，隨著分子束外延技術(shù)、電子能譜技術(shù)的發(fā)展以及超高真空技術(shù)的成熟，表面科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究才逐漸興盛起來(lái)。特別是掃描探針技術(shù)的出現(xiàn)使得表面科學(xué)的研究越來(lái)越興旺。從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，進(jìn)入了當(dāng)代表面科學(xué)研究時(shí)期，納米技術(shù)的出現(xiàn)使得表面科學(xué)由宏觀進(jìn)入微觀領(lǐng)域，原子尺度層面的物理、化學(xué)及技術(shù)成為主流，多維度的研究催生了豐富的表面及界面現(xiàn)象。進(jìn)入20 世紀(jì)，表面科學(xué)發(fā)展的勢(shì)頭依然非常迅猛，大批重要的研究成果相繼報(bào)道，相信今后很長(zhǎng)時(shí)間里都保持快速增長(zhǎng)。

1.2 表面分析技術(shù)

表面分析技術(shù)是利用電子、光子、離子、原子、場(chǎng)、熱等作為信號(hào)的載體，通過(guò)與物質(zhì)表面或界面的相互作用，得到與表面組分、形貌結(jié)構(gòu)、電子態(tài)及表面物理化學(xué)過(guò)程等相關(guān)的信息。在20 世紀(jì)60 年代發(fā)展的超高真空技術(shù)的基礎(chǔ)上，已出現(xiàn)了數(shù)十種表面靈敏的分析技術(shù)，包括場(chǎng)發(fā)射、電子能譜、衍射、掃描成像、質(zhì)譜、散射等技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡以及隨后衍生的各種掃描探針技術(shù)，更是極大地促進(jìn)了表面科學(xué)的飛速發(fā)展。近年來(lái)，科學(xué)家把極端條件技術(shù)和其他表面分析技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了極低溫、強(qiáng)場(chǎng)下表面現(xiàn)象的觀測(cè)，把飛秒激光技術(shù)與掃描探針技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子、分子的一些非平衡超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的實(shí)時(shí)研究。

1.3 重要研究成果

1.3.1 表面排布結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描探針技術(shù)可以實(shí)空間確定物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，“看見(jiàn)”了以前看不到的東西。在此技術(shù)剛出現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了單晶硅表面幾何結(jié)構(gòu)和缺陷的直接觀察，與低能電子衍射和理論計(jì)算結(jié)合最終確定了其表面結(jié)構(gòu)模型，包括硅的（001）和（111）表面，對(duì)幾個(gè)高指數(shù)面的再構(gòu)情況也給出了詳細(xì)的研究結(jié)果。其中重要的成果是對(duì)Si(111)-(7x7)結(jié)構(gòu)的實(shí)空間測(cè)量，直觀地“看”到了表面的硅原子排布結(jié)構(gòu)，證實(shí)了著名的二聚體-吸附原子-堆積錯(cuò)位模型。另外，本部分內(nèi)容在實(shí)際講授時(shí)也可以考慮加入最新的多種人工材料的研究成果，比如高溫超導(dǎo)體、人工晶格等。

1.3.2 原子尺度操縱

掃描探針技術(shù)的成熟極大地促進(jìn)了表面科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家可以在原子尺度上對(duì)單原子/單分子進(jìn)行操縱實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的改造，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。操縱的實(shí)現(xiàn)對(duì)于研究微觀、介觀物理、化學(xué)等意義重大，在人造分子和納米器件的驗(yàn)證中具有誘人的應(yīng)用前景。操縱主要分為兩種方式：一是利用探針與吸附在材料表面的原子或分子的相互作用或利用外界作用將原子或分子轉(zhuǎn)移到探針上，使其在材料表面發(fā)生橫向移動(dòng)。二是通過(guò)外加電場(chǎng)，改變分子的形狀，對(duì)分子進(jìn)行“手術(shù)”，包括破壞和不破壞化學(xué)鍵，如分子裁剪。

1.3.3 量子肼態(tài)

量子阱的基本特征是由于量子阱寬度（尺度與電子的德布羅意波長(zhǎng)可比）的限制，導(dǎo)致電子波函數(shù)在一維方向上的局域化，量子阱中的勢(shì)壘具有很強(qiáng)的限制作用，使得電子只在與勢(shì)壘高度平行的平面內(nèi)具有二維自由度，在垂直方向，導(dǎo)帶和價(jià)帶分裂成子帶，出現(xiàn)量子化。典型的例子是利用角分辨光電子能譜技術(shù)在Si(111)表面擔(dān)載的銀薄膜和鉛薄膜上觀察到了量子阱態(tài)，并且給出了隨薄膜厚度增加量子態(tài)能量的變化以及相關(guān)的一些物理現(xiàn)象，比如量子阱態(tài)對(duì)功函數(shù)、超導(dǎo)溫度、表面吸附等的調(diào)制作用。

1.3.4 二維材料

二維材料的典型代表是單原子層厚度的石墨烯，其是目前在科技界最為流行的一種高性能材料。自從2004 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位物理學(xué)家用高定向熱解石墨首次獲得獨(dú)立存在的高質(zhì)量石墨烯以來(lái)，對(duì)其制備方法和電子特性的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。石墨烯被認(rèn)為是世界上最薄也是最硬的材料，同時(shí)具有卓越的光、電、熱和力學(xué)等性能，比如載流子表現(xiàn)出巨大的遷移率、高熱導(dǎo)率、高透光率、低電阻率、能承載大的電流密度等，這些優(yōu)異的性能使它在眾多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中具有極高的應(yīng)用潛力，更有可能替代硅，制造超微型晶體管、未來(lái)新一代芯片和超級(jí)計(jì)算機(jī)。基于此，中國(guó)在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出積極開(kāi)發(fā)石墨烯材料。隨著石墨烯材料的發(fā)展，又衍生出了許多類石墨烯材料，也具有石墨烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。迄今為止，已在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的類石墨烯結(jié)構(gòu)有鍺烯、硅烯、錫烯、磷烯、銻烯、人工分子石墨烯等。

2 本科教學(xué)的授課方式

本科生的課程屬于打基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，并未涉及具體的科學(xué)研究過(guò)程，表面科學(xué)的講授要淺顯易懂，旨在拓寬學(xué)生的知識(shí)面，可以講解前文所述的具體研究結(jié)果和研究過(guò)程中一些有趣的歷史，激發(fā)他們將來(lái)對(duì)表面物理和化學(xué)研究的興趣。結(jié)合本文作者在我校本科生課堂上授課的經(jīng)歷和相關(guān)的研究論著，特總結(jié)如下四點(diǎn)適合把表面科學(xué)相關(guān)知識(shí)融入本科課堂的形式。

2.1 開(kāi)設(shè)研究前沿導(dǎo)論課程

本課程著重講解表面科學(xué)發(fā)展的歷史、一些基本的概念和淺顯的物理化學(xué)現(xiàn)象。在表面科學(xué)發(fā)展的過(guò)程中，涌現(xiàn)了許多著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，其都有豐富的人生經(jīng)歷和人文故事，任課教師可以在授課的過(guò)程中給學(xué)生穿插講解，學(xué)生會(huì)更有興趣和容易接受，讓其在愉悅的氛圍中體會(huì)到投身科學(xué)研究事業(yè)的偉大，并自然地接受相關(guān)的物理和化學(xué)知識(shí)。同時(shí)，在授課過(guò)程中，任課教師也可考慮加入照片、動(dòng)畫(huà)或視頻演示具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程或結(jié)果，讓他們真切體驗(yàn)到科學(xué)研究的樂(lè)趣和無(wú)窮魅力。

2.2 開(kāi)設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課程

結(jié)合前文提到的表面分析技術(shù)和近期重要的研究成果，可以考慮為本科生開(kāi)設(shè)表面科學(xué)專業(yè)選修課程，拓寬其知識(shí)面。課前給學(xué)生布置任務(wù)，讓學(xué)生廣泛查閱書(shū)籍和文獻(xiàn)，了解表面科學(xué)在一些應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域扮演的角色。在表面分析技術(shù)部分，課堂上通過(guò)大量圖片和視頻重點(diǎn)講解目前常用的幾種技術(shù)，包括其基本原理、實(shí)驗(yàn)裝置、應(yīng)用實(shí)例等。在講授重要研究成果部分時(shí)，首先理清研究成果中涉及的基本物理和化學(xué)概念，與學(xué)生已學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，比如前文提到的表面結(jié)構(gòu)、二維材料和拓?fù)洳牧峡梢躁P(guān)聯(lián)到固體物理課程中關(guān)于晶格及能帶的相關(guān)知識(shí)，量子阱態(tài)在量子力學(xué)課程中也已明確講解，在此把枯燥的基礎(chǔ)知識(shí)整合到了具體的物質(zhì)形態(tài)上。原子尺度操縱可以回憶固體物理和原子分子物理課程的相關(guān)知識(shí)。其次，針對(duì)本科生對(duì)具體的物質(zhì)形態(tài)和現(xiàn)象還不夠直觀的特點(diǎn)，在講授時(shí)著重突出研究成果的物理原理與物理思想，而忽略相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算，盡量使用淺顯的語(yǔ)言和選取簡(jiǎn)單易懂的研究成果。經(jīng)課堂實(shí)際授課發(fā)現(xiàn)，在講授某一個(gè)具體的研究成果前，先給學(xué)生播放一個(gè)簡(jiǎn)短且有趣的相關(guān)視頻更有利于調(diào)動(dòng)其求知欲，在視頻結(jié)束時(shí)，任課教師要盡量提出一個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)聽(tīng)下去，如此比傳統(tǒng)灌輸式的授課方式更能使學(xué)生接受，最大限度地滿足學(xué)生的好奇心。再次，在講授時(shí)，要盡量增強(qiáng)課程內(nèi)容的趣味性，并與學(xué)生互動(dòng)，讓其積極參與進(jìn)來(lái)，可定期讓學(xué)生進(jìn)行分組討論和上講臺(tái)介紹，收集討論中提出的問(wèn)題，及時(shí)給予解答。

2.3 開(kāi)設(shè)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合課程

本課程因各高校開(kāi)放儀器設(shè)備不同，選取的實(shí)驗(yàn)課也有所差別。任課教師可以結(jié)合所在高校的儀器條件，選取適合的表面分析技術(shù)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，可以考慮讓學(xué)生自己動(dòng)手，比如利用原子力顯微鏡對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。然而，對(duì)于一些復(fù)雜且儀器設(shè)備需要專業(yè)人士操作的實(shí)驗(yàn)，比如利用X射線光電子能譜對(duì)物質(zhì)成分的分析，可以讓學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀摩，任課教師進(jìn)行實(shí)時(shí)講解。在具體實(shí)驗(yàn)中，任課教師要引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知能力和對(duì)重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取能力。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能真切地體會(huì)到表面科學(xué)的意義和前途，引導(dǎo)他們對(duì)表面科學(xué)研究的興趣和信心，未來(lái)為表面科學(xué)事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

2.4 開(kāi)設(shè)本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃

學(xué)校倡導(dǎo)從事表面科學(xué)研究的教師開(kāi)設(shè)“本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃”課題，并積極鼓勵(lì)本科生申請(qǐng)，以設(shè)立創(chuàng)新基金和自主申報(bào)的方式確定立項(xiàng)并給予資金支持。在已學(xué)表面科學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下，獲資助學(xué)生通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，及時(shí)了解該領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)和目前面臨的挑戰(zhàn)，撰寫具體的實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)方法，積極開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生與所在實(shí)驗(yàn)室的研究生積極交流互動(dòng)，掌握實(shí)驗(yàn)儀器的操作方法及數(shù)據(jù)分析技巧，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題激發(fā)創(chuàng)新思維進(jìn)而獨(dú)立完成課題。實(shí)驗(yàn)完成后，引導(dǎo)學(xué)生整理數(shù)據(jù)并撰寫結(jié)題報(bào)告。本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃主要注重學(xué)生參與科學(xué)研究的學(xué)習(xí)過(guò)程，并非期望原創(chuàng)性成果的產(chǎn)出，是課堂理論知識(shí)學(xué)習(xí)的有益補(bǔ)充和延伸，將培養(yǎng)學(xué)生濃厚的科研興趣和端正的科研態(tài)度，為學(xué)生的就業(yè)和后續(xù)深造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 研究意義

本文的研究可為高校給本科生開(kāi)設(shè)課程提供借鑒和參考，也可為從事表面科學(xué)研究的高校教師在本科教學(xué)時(shí)提供一個(gè)可行的教案制定參考。有利于高校幫助本科生拓寬知識(shí)面，使其能將表面科學(xué)的原理和方法應(yīng)用于真實(shí)的自然現(xiàn)象和物質(zhì)世界。對(duì)于將來(lái)計(jì)劃攻讀研究生的學(xué)生，可以提前對(duì)表面科學(xué)研究有一個(gè)理性的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)階段的學(xué)習(xí)提供一定的知識(shí)儲(chǔ)備和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探索精神。