榮 新，劉國(guó)超，董澤昊，李 智，張朝暉

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100871)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是面向高校理工專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課. 傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程使學(xué)生通過(guò)做實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)物理知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)方法，具有扎實(shí)、全面的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ荒芡耆珴M足當(dāng)前培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性的要求. 針對(duì)此問(wèn)題，北京大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)施以“科研引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的理念推動(dòng)教學(xué)和科研的全面融合[1]，形成更加合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系，滿足面上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，并對(duì)優(yōu)秀拔尖學(xué)生的培養(yǎng)進(jìn)行了探索和實(shí)踐. 在探索中國(guó)特色世界一流大學(xué)的背景下，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的全面發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)高等教育的高質(zhì)量發(fā)展[2].

1 專題研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中國(guó)高校的物理實(shí)驗(yàn)課程主要按普通物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn)2部分設(shè)置，此外部分高校補(bǔ)充了高等物理實(shí)驗(yàn)、綜合物理實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)、居家實(shí)驗(yàn)以及新工科特色實(shí)驗(yàn)等教改課程模塊[3-9]. 北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置是在普通物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，推出綜合物理實(shí)驗(yàn)、專題研究性實(shí)驗(yàn)和前沿物理實(shí)驗(yàn)等[1]. 北京大學(xué)物理學(xué)院的部分學(xué)生在入學(xué)前已掌握大部分普通物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也有部分學(xué)生在中學(xué)階段動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)較少，這2種情況的學(xué)情反差很明顯. 面對(duì)此情況，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在課程設(shè)置和組織方面做到相應(yīng)匹配：一方面，保證高質(zhì)量地開(kāi)設(shè)普通物理實(shí)驗(yàn)課程，滿足物理專業(yè)和理工科專業(yè)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的要求；另一方面，為給學(xué)生提供更多的選擇，開(kāi)設(shè)了可替代普通物理實(shí)驗(yàn)的綜合物理實(shí)驗(yàn)[10]和專題研究性實(shí)驗(yàn). 新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K避免了部分學(xué)生重復(fù)學(xué)習(xí)已掌握的普物實(shí)驗(yàn)，提升了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

專題研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K分2個(gè)學(xué)期進(jìn)行，共計(jì)128學(xué)時(shí)，要求學(xué)生針對(duì)1個(gè)專題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行較深入的研究. 在學(xué)期初教師提供題目，學(xué)生從中自愿報(bào)名選擇，學(xué)生可以與教師一對(duì)一學(xué)習(xí)，也可以2～3名學(xué)生組成小組合作完成實(shí)驗(yàn)并有所側(cè)重分工. 每年參加專題研究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生總?cè)藬?shù)不固定，一般占物理學(xué)院同一年級(jí)本科學(xué)生人數(shù)的3%～7%.

近年開(kāi)設(shè)的專題研究性實(shí)驗(yàn)的題目包括：

1)量子點(diǎn)單光子源的輻射操控；

2)利用色散效應(yīng)增強(qiáng)表面等離激元傳感器的靈敏度；

3)量子干涉的物理探究；

4)貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)判定；

5)單光阱光鑷系統(tǒng)的搭建與綜合研究；

6)金屬納米孔結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的主動(dòng)調(diào)控；

7)非極性面氮化物子帶間躍遷的紅外探測(cè)；

8)低波數(shù)拉曼光譜研究.

以上部分題目采取多個(gè)學(xué)年連續(xù)設(shè)置的方式進(jìn)行，根據(jù)往年學(xué)生得到的結(jié)果設(shè)置新的研究目標(biāo). 教學(xué)過(guò)程為學(xué)生與教師約定每周至少半天時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室上課，進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研/理論學(xué)習(xí)、模擬計(jì)算、自主實(shí)驗(yàn)等. 教師根據(jù)學(xué)生的進(jìn)展情況適當(dāng)調(diào)整研究進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)方法，基本包含了初步進(jìn)行科學(xué)研究的完整訓(xùn)練. 學(xué)期末，安排集體匯報(bào)答辯，實(shí)驗(yàn)課成績(jī)由課程組所有教師綜合學(xué)生考勤、匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、回答問(wèn)題情況后打分確定. 多人完成的實(shí)驗(yàn)題目可以采取合并匯報(bào)方式，需說(shuō)明每人的任務(wù)分工.

專題研究性實(shí)驗(yàn)題目之一的低波數(shù)拉曼光譜研究，是近年來(lái)在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自主研發(fā)的多功能拉曼光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)[11]，本文以該實(shí)驗(yàn)為例介紹專題研究性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)經(jīng)驗(yàn). 在數(shù)年的儀器功能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了顯微共焦拉曼/熒光光譜、拉曼掃描成像光譜、變溫拉曼光譜、真空光電綜合測(cè)試等功能[11-14]. 因拉曼光譜含有物質(zhì)的特征譜線，同時(shí)作為快速原位、無(wú)損測(cè)量方法，拉曼光譜被廣泛應(yīng)用于材料鑒定、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、物性表征等領(lǐng)域[15-16]. 二維材料的興起及拉曼增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了拉曼檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用[17-18]，針對(duì)二維材料原子層間振動(dòng)的剪切模和呼吸模的低波數(shù)(≤50 cm-1)拉曼光譜也備受關(guān)注[19-21]. 通過(guò)低波數(shù)拉曼光譜的研究，加深學(xué)生對(duì)拉曼散射原理、光路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.

2 低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試系統(tǒng)

北京大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心研發(fā)的普通拉曼光譜系統(tǒng)的光路如圖1所示，光路中主要包含激光器、長(zhǎng)波通濾光片、透鏡系統(tǒng)、光譜儀等. 對(duì)于宏觀拉曼光譜(非顯微系統(tǒng))，樣品表面置于透鏡的焦平面處；對(duì)于顯微共焦拉曼/熒光光譜，樣品表面應(yīng)置于顯微物鏡的物方焦平面(工作距離)處，同時(shí)需配合照明光路和CCD成像系統(tǒng). 為方便光路調(diào)節(jié)，長(zhǎng)波通濾光片通常配置與之平行的可切換半透半反鏡片(BS)[12]. 使用長(zhǎng)波通濾光片對(duì)應(yīng)測(cè)試?yán)庾V的斯托克斯線，長(zhǎng)波通濾光片與激光器的波長(zhǎng)需要相互匹配，使得進(jìn)入光譜儀信號(hào)中的激光譜線受抑制，從而實(shí)現(xiàn)拉曼光譜探測(cè).

圖1 普通拉曼光譜系統(tǒng)的光路圖

根據(jù)長(zhǎng)波通濾光片的截止波長(zhǎng)可以計(jì)算拉曼光譜的起始波數(shù)，例如532 nm激光器對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)波通濾光片起始波數(shù)一般為60 cm-1，而325 nm激光器對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)波通濾光片起始波數(shù)一般為150 cm-1，小于起始波數(shù)的拉曼信號(hào)由于受到長(zhǎng)波通濾光片的抑制而無(wú)法被測(cè)試，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試.

如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試，需要配置與激光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的1組帶通濾光片和陷波濾光片. 帶通濾光片的作用是純化激光譜線，而陷波濾光片的主要作用是抑制進(jìn)入光譜儀的激光譜線. 實(shí)驗(yàn)室配置的532 nm激光器，帶通濾光片和陷波濾光片的光譜半高全寬均小于0.3 nm，對(duì)應(yīng)波數(shù)范圍±5.3 cm-1(532 nm對(duì)應(yīng)0 cm-1). 如果陷波濾光片的透射率滿足OD3要求，一般需配置3個(gè)陷波濾光片，進(jìn)而理論上其對(duì)激光譜線的抑制可達(dá)到OD9的程度，滿足低波數(shù)拉曼光譜的測(cè)試要求.

圖2 低波數(shù)拉曼光譜系統(tǒng)的光路圖

二維材料的原子層間振動(dòng)模式(剪切模、呼吸模)一般能量較低(聲子頻率較低)，其振動(dòng)對(duì)應(yīng)的特征拉曼譜線一般處于低波數(shù)區(qū)域，普通拉曼光譜系統(tǒng)無(wú)法測(cè)試，因此通過(guò)低波數(shù)拉曼光譜可以更加深入地研究材料的相關(guān)性質(zhì).

此外，由于低波數(shù)拉曼光譜系統(tǒng)中的濾光片采用陷波濾光片，因此光譜中可以同時(shí)觀測(cè)斯托克斯線和反斯托克斯線，這是低波數(shù)拉曼光譜有別于普通拉曼光譜的另一個(gè)優(yōu)勢(shì). 根據(jù)斯托克斯線和反斯托克斯線強(qiáng)度之比以及拉曼頻移還能計(jì)算被測(cè)樣品的原位溫度，提供被測(cè)樣品更加豐富的信息.

拉曼光譜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 拉曼光譜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

3 典型材料的低波數(shù)拉曼光譜研究

對(duì)上述低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行光路優(yōu)化后，可以測(cè)試低波數(shù)拉曼光譜. 下面介紹2個(gè)典型樣品的低波數(shù)拉曼光譜.

3.1 左旋胱氨酸

左旋胱氨酸(L-Cystine)是典型的低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試樣品，原因?yàn)槠涮卣骼V線中含有位于9 cm-1(對(duì)應(yīng)1.1 meV)較強(qiáng)的低波數(shù)峰. 需要注意左旋胱氨酸為白色粉末狀，應(yīng)置于干燥避光條件下保存，測(cè)試時(shí)取少量樣品經(jīng)壓制后可進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

本實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的左旋胱氨酸的低波數(shù)拉曼光譜如圖4所示，采用532 nm激光器激發(fā)，經(jīng)測(cè)試得到9 cm-1的斯托克斯線和-9 cm-1的反斯托克斯線，光譜中瑞利散射寬度約為±5 cm-1，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本具備測(cè)試10～50 cm-1范圍的低波數(shù)拉曼光譜的能力.

圖4 左旋胱氨酸的低波數(shù)拉曼光譜

3.2 MoS2

MoS2是典型的二維材料，與石墨烯的零帶隙不同，單層MoS2的帶隙約為1.85 eV. MoS2的電子遷移率很低，在一定程度上限制了其在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用. 單層MoS2不具有中心反演對(duì)稱性，使其K谷和K′谷對(duì)不同圓偏振光的吸收響應(yīng)不同，進(jìn)而實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到谷極化效應(yīng). 單層MoS2中不存在低波數(shù)的拉曼峰，但雙層或多層MoS2直至體材料中存在原子層間振動(dòng)，對(duì)應(yīng)低波數(shù)拉曼峰剪切模(Shear mode)和呼吸模(Breathing mode)[12,22]. 對(duì)于雙層MoS2，一般認(rèn)為有2種堆疊方式：AB堆疊(即2H)和AA堆疊(即3R)，在不同堆疊方式中對(duì)應(yīng)的剪切模和呼吸模的強(qiáng)度比有明顯差異[20]. 實(shí)驗(yàn)用的MoS2樣品制備于Si襯底上，采用532 nm激光器激發(fā)，本實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的雙層MoS2(AB堆疊)的低波數(shù)拉曼光譜如圖5所示.

圖5 雙層MoS2(AB堆疊)的低波數(shù)拉曼光譜

由于多層MoS2的剪切模和呼吸膜的峰位隨樣品厚度(原子層數(shù))不同而變化，因此通過(guò)低波數(shù)拉曼光譜可以確定其原子層厚[22]. 由于拉曼光譜系統(tǒng)和熒光(PL)系統(tǒng)通常集成在一起，因此，如果激發(fā)光的光子能量大于材料的禁帶寬度還可以測(cè)試材料的熒光光譜.

4 專題研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法

4.1 低波數(shù)拉曼光譜研究的教學(xué)過(guò)程

專題研究性實(shí)驗(yàn)選課需要學(xué)生和教師進(jìn)行雙向溝通，學(xué)生可以選課1學(xué)期或2學(xué)期，多數(shù)學(xué)生經(jīng)過(guò)1學(xué)期的經(jīng)驗(yàn)積累再進(jìn)行1學(xué)期完善研究.

表1列出了低波數(shù)拉曼光譜研究(1學(xué)年)的進(jìn)度安排.

表1 低波數(shù)拉曼光譜研究的進(jìn)度安排

第一學(xué)期低波數(shù)拉曼光譜研究的重點(diǎn)在于光路的調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)裝置中包含的1個(gè)帶通濾光片和3個(gè)陷波濾光片需要精細(xì)調(diào)節(jié)，以確保實(shí)驗(yàn)儀器處于最佳工作狀態(tài). 此外，光路中可以適當(dāng)增加光闌進(jìn)行小孔濾光，增加信號(hào)的純度.

圖6為期末答辯時(shí)學(xué)生展示的光路優(yōu)化前后的測(cè)試結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，光路優(yōu)化后中間的瑞利散射信號(hào)被顯著壓低，瑞利散射寬度達(dá)到±5 cm-1，接近實(shí)驗(yàn)儀器配置的帶通濾光片和陷波濾光片的理論極限. 此時(shí)，激光波長(zhǎng)附近的低波數(shù)拉曼光譜信號(hào)得到明顯改善.

(a)光路優(yōu)化前

第二學(xué)期低波數(shù)拉曼光譜研究側(cè)重對(duì)1～2個(gè)具體問(wèn)題進(jìn)行深入研究，例如對(duì)多層二維材料不同堆疊方式、不同轉(zhuǎn)角情況下的低波數(shù)拉曼光譜測(cè)試. 如圖7所示，這些光譜可以結(jié)合偏振測(cè)試研究各拉曼信號(hào)的偏振特性. 實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，剪切模(～23 cm-1)及Eg模(～385 cm-1)分別對(duì)應(yīng)層間原子振動(dòng)及層內(nèi)原子振動(dòng)，二者均為面內(nèi)振動(dòng)，因其偏振特性具有二重簡(jiǎn)并性，所以對(duì)應(yīng)的拉曼峰強(qiáng)度隨檢偏器的偏振角度變化基本保持不變；而呼吸模(～41 cm-1)及A1g模(～407 cm-1)分別對(duì)應(yīng)層間原子振動(dòng)及層內(nèi)原子振動(dòng)，二者均為面外振動(dòng)，具有明顯的偏振特性，因此，對(duì)應(yīng)的拉曼峰強(qiáng)度隨檢偏器的偏振角度變化表現(xiàn)出明顯的調(diào)制行為，即拉曼散射信號(hào)為線偏振光. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)一致.

專題研究性實(shí)驗(yàn)的選題本身具有探究性，研究?jī)?nèi)容有時(shí)涉及未知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論解釋，同時(shí)部分新材料的測(cè)試信號(hào)較弱，需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器配置. 這些內(nèi)容需要教師花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間備課，關(guān)注學(xué)生的研究進(jìn)展并及時(shí)溝通、解決問(wèn)題，同時(shí)從課時(shí)安排的角度，第二學(xué)期的選題應(yīng)盡量集中.

(a)AB堆疊

4.2 低波數(shù)拉曼光譜研究的課程思政元素

專題研究性實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及科研素質(zhì)，學(xué)生在理論研究和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到各種問(wèn)題，在分析、解決問(wèn)題的實(shí)踐中學(xué)生得到成長(zhǎng)并提高自身能力. 在低波數(shù)拉曼光譜研究的教學(xué)實(shí)踐中，融入了以下課程思政元素：

1)在講授拉曼光譜理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)時(shí)，介紹吳大猷、黃昆、張樹(shù)霖等我國(guó)老一輩科學(xué)家在拉曼光譜理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，在研究條件相對(duì)落后的情況下使中國(guó)拉曼光譜及光散射研究處于世界前列，這些開(kāi)創(chuàng)性的工作為我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 老一輩科學(xué)家非常關(guān)心和重視培養(yǎng)青年學(xué)生，他們對(duì)教育事業(yè)的熱愛(ài)、對(duì)科學(xué)研究鍥而不舍的精神影響至今.

2)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)面臨很多未知情況，要發(fā)揚(yáng)北京大學(xué)“常為新、敢為先”的優(yōu)良傳統(tǒng). 當(dāng)學(xué)生遇到困難時(shí)，教師鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，找到正確的方法. 在無(wú)法得到實(shí)驗(yàn)信號(hào)或信號(hào)強(qiáng)度差時(shí)，學(xué)生需仔細(xì)分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件查找原因；對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的未知信號(hào)需查閱文獻(xiàn)，或改變實(shí)驗(yàn)條件對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行光譜指認(rèn). 在實(shí)驗(yàn)探索過(guò)程中，學(xué)生會(huì)逐漸形成清晰的實(shí)驗(yàn)思路，根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的反饋信號(hào)總結(jié)出如何進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整. 實(shí)踐出真知，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力和不怕困難的精神.

4.3 專題研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

參加專題研究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生多數(shù)能按教師的要求開(kāi)展相應(yīng)研究，少數(shù)學(xué)生需要根據(jù)研究調(diào)整進(jìn)度和方案，或以模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式完成題目. 在基本完成題目要求的情況下，學(xué)生期末評(píng)分一般為90分以上，部分優(yōu)秀成果發(fā)表學(xué)術(shù)論文或申請(qǐng)專利.

選做專題研究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生掌握了豐富的普通物理知識(shí)，理論分析能力較強(qiáng). 在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)方面，經(jīng)過(guò)1學(xué)期或1學(xué)年的訓(xùn)練，學(xué)生基本具備了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)研究能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新性思維和科學(xué)素質(zhì). 專題研究性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練有助于學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)，部分學(xué)生積極加入課題組開(kāi)展科學(xué)研究.

5 結(jié)束語(yǔ)

專題研究性實(shí)驗(yàn)在我校的物理實(shí)驗(yàn)課程體系中可以替代普通物理實(shí)驗(yàn)，該課程模塊在給物理學(xué)院學(xué)生更多選擇的同時(shí)，發(fā)揮了我?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教師和實(shí)驗(yàn)資源的優(yōu)勢(shì)，契合了實(shí)驗(yàn)中心“科研引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的教改思路. 經(jīng)過(guò)近年的實(shí)踐，專題研究性實(shí)驗(yàn)受到了學(xué)生的一致歡迎，參與指導(dǎo)的一線教師積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步推進(jìn)學(xué)?！半p一流”建設(shè)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量.

致謝：感謝北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院傅云義教授提供的部分測(cè)試樣品.