浅谈表面科学在本科教学中的讲授

于迎辉

（湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062）

引言

表面科学主要是研究固-液、固-真空、固-气和液-气界面处的物理和化学现象，涉及领域广泛，涵盖物理学、晶体学、化学、生物学和材料科学等。其作为物理和化学研究中的一个新兴分支学科，具有很大的挑战性。物质表面的性质往往与体相有着很大的差异，根本原因在于表面原子原先在体相中的对称性和环境被突然破坏。表面科学按学科属性一般分为表面物理和表面化学，二者也融合在一起。表面化学偏重于研究实现具体化学现象的方法，而表面物理试图揭示相关物理现象产生的本质。目前，在国内外许多高等院校和研究机构中，表面科学是物理和化学领域研究生的专业基础课；由于涉及表面基础理论和复杂的具体研究，内容比较深奥，在本科教学中并无涉猎。然而，考虑到国内普通高校本科生在入学两三年后，已经学习了固体物理、半导体物理，热力学统计物理和量子力学等课程，接受表面科学的相关知识并不是特别困难。另外，由于就业形势的严峻及用人单位对学历的要求提高，相当一部分本科生选择攻读研究生，在本科阶段开设表面科学课程，有助于将来更好更快地融入后续的研究工作当中。因此，为高年级本科学生开设表面科学课程是可行的，也是必要的，有助于激发学生从事表面科学研究的兴趣。

1 适合本科教学授课的内容

1.1 表面科学发展史

早在18 世纪，科学家就开始了对物质表面的研究，例如催化、电化学以及表面热力学研究等。1877 年，吉布斯建立了划时代的热力学理论，包括表面热力学理论，引入了新的状态函数——自由能和化学势的概念；1900 年，朗格缪尔提出了催化、吸附结构、功函数等概念，开拓了化学学科的新领域——界面化学；1905 年，爱因斯坦对赫兹发现的光电效应现象进行了理论解释，促进了表面科学量子理论的出现。19 世纪30 年代起，表面电子态、物理/化学吸附、金属/半导体界面理论相继提出。虽然早期理论研究取得了长足的进展，但是实验研究却一直裹足不前。直到20 世纪中期后，随着分子束外延技术、电子能谱技术的发展以及超高真空技术的成熟，表面科学领域的实验研究才逐渐兴盛起来。特别是扫描探针技术的出现使得表面科学的研究越来越兴旺。从20 世纪90 年代开始，进入了当代表面科学研究时期，纳米技术的出现使得表面科学由宏观进入微观领域，原子尺度层面的物理、化学及技术成为主流，多维度的研究催生了丰富的表面及界面现象。进入20 世纪，表面科学发展的势头依然非常迅猛，大批重要的研究成果相继报道，相信今后很长时间里都保持快速增长。

1.2 表面分析技术

表面分析技术是利用电子、光子、离子、原子、场、热等作为信号的载体，通过与物质表面或界面的相互作用，得到与表面组分、形貌结构、电子态及表面物理化学过程等相关的信息。在20 世纪60 年代发展的超高真空技术的基础上，已出现了数十种表面灵敏的分析技术，包括场发射、电子能谱、衍射、扫描成像、质谱、散射等技术。20 世纪80 年代出现的扫描隧道显微镜以及随后衍生的各种扫描探针技术，更是极大地促进了表面科学的飞速发展。近年来，科学家把极端条件技术和其他表面分析技术相结合，实现了极低温、强场下表面现象的观测，把飞秒激光技术与扫描探针技术结合，实现了对原子、分子的一些非平衡超快动力学过程的实时研究。

1.3 重要研究成果

1.3.1 表面排布结构

通过扫描探针技术可以实空间确定物质的表面结构，“看见”了以前看不到的东西。在此技术刚出现时，实现了单晶硅表面几何结构和缺陷的直接观察，与低能电子衍射和理论计算结合最终确定了其表面结构模型，包括硅的（001）和（111）表面，对几个高指数面的再构情况也给出了详细的研究结果。其中重要的成果是对Si(111)-(7x7)结构的实空间测量，直观地“看”到了表面的硅原子排布结构，证实了著名的二聚体-吸附原子-堆积错位模型。另外，本部分内容在实际讲授时也可以考虑加入最新的多种人工材料的研究成果，比如高温超导体、人工晶格等。

1.3.2 原子尺度操纵

扫描探针技术的成熟极大地促进了表面科学的发展，科学家可以在原子尺度上对单原子/单分子进行操纵实现物质的改造，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。操纵的实现对于研究微观、介观物理、化学等意义重大，在人造分子和纳米器件的验证中具有诱人的应用前景。操纵主要分为两种方式：一是利用探针与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将原子或分子转移到探针上，使其在材料表面发生横向移动。二是通过外加电场，改变分子的形状，对分子进行“手术”，包括破坏和不破坏化学键，如分子裁剪。

1.3.3 量子肼态

量子阱的基本特征是由于量子阱宽度（尺度与电子的德布罗意波长可比）的限制，导致电子波函数在一维方向上的局域化，量子阱中的势垒具有很强的限制作用，使得电子只在与势垒高度平行的平面内具有二维自由度，在垂直方向，导带和价带分裂成子带，出现量子化。典型的例子是利用角分辨光电子能谱技术在Si(111)表面担载的银薄膜和铅薄膜上观察到了量子阱态，并且给出了随薄膜厚度增加量子态能量的变化以及相关的一些物理现象，比如量子阱态对功函数、超导温度、表面吸附等的调制作用。

1.3.4 二维材料

二维材料的典型代表是单原子层厚度的石墨烯，其是目前在科技界最为流行的一种高性能材料。自从2004 年英国曼彻斯特大学的两位物理学家用高定向热解石墨首次获得独立存在的高质量石墨烯以来，对其制备方法和电子特性的研究取得了长足的发展。石墨烯被认为是世界上最薄也是最硬的材料，同时具有卓越的光、电、热和力学等性能，比如载流子表现出巨大的迁移率、高热导率、高透光率、低电阻率、能承载大的电流密度等，这些优异的性能使它在众多传统产业和战略性新兴产业中具有极高的应用潜力，更有可能替代硅，制造超微型晶体管、未来新一代芯片和超级计算机。基于此，中国在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。随着石墨烯材料的发展，又衍生出了许多类石墨烯材料，也具有石墨烯的蜂窝状结构，表现出许多独特的物理和化学性质。迄今为止，已在实验上实现的类石墨烯结构有锗烯、硅烯、锡烯、磷烯、锑烯、人工分子石墨烯等。

2 本科教学的授课方式

本科生的课程属于打基础的学习，并未涉及具体的科学研究过程，表面科学的讲授要浅显易懂，旨在拓宽学生的知识面，可以讲解前文所述的具体研究结果和研究过程中一些有趣的历史，激发他们将来对表面物理和化学研究的兴趣。结合本文作者在我校本科生课堂上授课的经历和相关的研究论著，特总结如下四点适合把表面科学相关知识融入本科课堂的形式。

2.1 开设研究前沿导论课程

本课程着重讲解表面科学发展的历史、一些基本的概念和浅显的物理化学现象。在表面科学发展的过程中，涌现了许多著名的诺贝尔奖获得者，其都有丰富的人生经历和人文故事，任课教师可以在授课的过程中给学生穿插讲解，学生会更有兴趣和容易接受，让其在愉悦的氛围中体会到投身科学研究事业的伟大，并自然地接受相关的物理和化学知识。同时，在授课过程中，任课教师也可考虑加入照片、动画或视频演示具体的实验过程或结果，让他们真切体验到科学研究的乐趣和无穷魅力。

2.2 开设专业基础课程

结合前文提到的表面分析技术和近期重要的研究成果，可以考虑为本科生开设表面科学专业选修课程，拓宽其知识面。课前给学生布置任务，让学生广泛查阅书籍和文献，了解表面科学在一些应用学科领域扮演的角色。在表面分析技术部分，课堂上通过大量图片和视频重点讲解目前常用的几种技术，包括其基本原理、实验装置、应用实例等。在讲授重要研究成果部分时，首先理清研究成果中涉及的基本物理和化学概念，与学生已学知识串联起来，比如前文提到的表面结构、二维材料和拓扑材料可以关联到固体物理课程中关于晶格及能带的相关知识，量子阱态在量子力学课程中也已明确讲解，在此把枯燥的基础知识整合到了具体的物质形态上。原子尺度操纵可以回忆固体物理和原子分子物理课程的相关知识。其次，针对本科生对具体的物质形态和现象还不够直观的特点，在讲授时着重突出研究成果的物理原理与物理思想，而忽略相关的数学计算，尽量使用浅显的语言和选取简单易懂的研究成果。经课堂实际授课发现，在讲授某一个具体的研究成果前，先给学生播放一个简短且有趣的相关视频更有利于调动其求知欲，在视频结束时，任课教师要尽量提出一个问题引导学生继续听下去，如此比传统灌输式的授课方式更能使学生接受，最大限度地满足学生的好奇心。再次，在讲授时，要尽量增强课程内容的趣味性，并与学生互动，让其积极参与进来，可定期让学生进行分组讨论和上讲台介绍，收集讨论中提出的问题，及时给予解答。

2.3 开设理论和实验结合课程

本课程因各高校开放仪器设备不同，选取的实验课也有所差别。任课教师可以结合所在高校的仪器条件，选取适合的表面分析技术。对于一些简单的实验，可以考虑让学生自己动手，比如利用原子力显微镜对物质结构的观测。然而，对于一些复杂且仪器设备需要专业人士操作的实验，比如利用X射线光电子能谱对物质成分的分析，可以让学生进行现场观摩，任课教师进行实时讲解。在具体实验中，任课教师要引导和激发学生认真思考实验现象，提高学生的动手能力、对物质世界的认知能力和对重要实验数据的获取能力。通过本课程的学习，使学生能真切地体会到表面科学的意义和前途，引导他们对表面科学研究的兴趣和信心，未来为表面科学事业的发展贡献自己的力量。

2.4 开设本科生科研训练计划

学校倡导从事表面科学研究的教师开设“本科生科研训练计划”课题，并积极鼓励本科生申请，以设立创新基金和自主申报的方式确定立项并给予资金支持。在已学表面科学理论知识的基础上，在教师的指导下，获资助学生通过查阅国内外文献资料，及时了解该领域的发展动态和目前面临的挑战，撰写具体的实验方案及实验方法，积极开展相关实验研究。在实验过程中，让学生与所在实验室的研究生积极交流互动，掌握实验仪器的操作方法及数据分析技巧，通过发现问题激发创新思维进而独立完成课题。实验完成后，引导学生整理数据并撰写结题报告。本科生科研训练计划主要注重学生参与科学研究的学习过程，并非期望原创性成果的产出，是课堂理论知识学习的有益补充和延伸，将培养学生浓厚的科研兴趣和端正的科研态度，为学生的就业和后续深造奠定坚实的基础。

3 研究意义

本文的研究可为高校给本科生开设课程提供借鉴和参考，也可为从事表面科学研究的高校教师在本科教学时提供一个可行的教案制定参考。有利于高校帮助本科生拓宽知识面，使其能将表面科学的原理和方法应用于真实的自然现象和物质世界。对于将来计划攻读研究生的学生，可以提前对表面科学研究有一个理性的认识，为后续阶段的学习提供一定的知识储备和培养严谨的科学探索精神。