“薄膜材料及其制备技术”课程科教融合模式探索

摘"要：科教融合是高校培养人才的重要理念。“薄膜材料及其制备技术”作为理工类课程，需要结合教学内容，将科研成果和育人理念融入教学，以期实现理工类课程立德树人的目的。本文主要在课程内容的基础上，结合当前科技前沿，同时结合时代背景，积极引导学生对先进前沿的薄膜材料及技术进行调研，开展科教融合的教学模式探索。在理想信念、精神品质、学科知识、思维能力等方面，积极将能力培养和专业知识传授融合，以期实现科教融合。

关键词：科教融合；薄膜材料；立德树人

当今国际竞争激烈，我们要探索先进技术，开辟新领域，发展新质生产力，根本上要依靠科技创新。薄膜材料广泛应用于电子信息产业、节能环保产业、航空航天产业等领域，随着科技进步发展非常迅速。同时，近年来，光伏、风电、输变电及新能源行业市场容量稳步增长，为薄膜材料行业的发展提供了广阔的市场空间。当前新工科背景下，材料类专业课“薄膜材料及其制备技术”应紧密结合科技及应用前沿进行教学。课程内容包括真空技术、物理气相沉积、化学气相沉积、薄膜的生长以及薄膜结构、薄膜性能测试技术和表征方法。“薄膜材料及其制备技术”课程的开设旨在引导学生了解薄膜材料和薄膜技术的发展，了解薄膜制备的基础——真空技术的相关知识，掌握薄膜沉积的技术体系及制备方法，能够在薄膜沉积中综合考虑不同因素的影响，如制备工艺参数对薄膜在衬底上的附着力，薄膜结构及厚度均匀性的影响，并掌握薄膜结构、性能的多种表征技术，为将来开展薄膜材料的制备以及应用研究等打下基础。

当前社会发展突出科技创新引领，需要加快实现高水平科技自立自强。因此，在应对新一轮科技革命和支撑世界科技强国建设的新时代背景下，科教融合教学模式至关重要［1］。因此，在“薄膜材料及其制备技术”课程中，从教学过程中探索挖掘可结合的专业知识，将科研成果、能力培养和专业知识传授融合，引导学生在学习专业知识技术的基础上，树立科学的人生观和价值观，培养严谨求实的科学态度，建立文化自信，树立社会责任感和时代使命感［2］。课程主要内容包括薄膜材料及其技术发展概况真空技术基础、薄膜制备方法、薄膜材料生长机制、薄膜表征、薄膜的性质及应用。本文主要探索在课程内容的基础上，结合当前科技前沿进行科教融合的教学模式。

1"概述

薄膜材料的研究及技术发展起源于17世纪，之后随着技术的发展及各种应用的兴起，薄膜技术得到了迅速的拓展。特别是20世纪50年代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜材料及其技术显示出其特有的优势，发挥了重要作用。当今社会，航空航天、能源、信息、交通等各个领域，都可以看到薄膜材料的参与。因此，薄膜材料在推动社会进步、技术发展的方向起到不可或缺的作用。薄膜材料也在向综合、智能、复合、环境友好、节能长寿以及纳米化方向发展，它对整个材料的发展起到了推动和促进的作用［3］。目前，全球薄膜沉积设备主要由欧美和日本厂商垄断市场，他们经验丰富，因此市场集中度较高。薄膜沉积设备行业壁垒高，海外厂商成立较早，在薄膜和工艺方面不断突破，技术发展较快，行业集中度较高。因此，我们要加紧步伐，致力于关键核心技术难题的突破，实现重点领域、关键环节的技术自主可控，打破欧美以及日本的垄断。通过薄膜产业相关背景知识的介绍，引导学生了解国际形势，把握基本国情，关心国家大事，关注科技前沿，认清在全球化背景下我国所面临的机遇和挑战；树立使命感和责任感，苦练基本功、树立报国志，把实现人生理想同祖国的需要结合起来，为将来走出校园，投入社会主义建设做好准备。

2"真空技术基础

薄膜的制备需要获得真空，真空的获得需要借助真空泵。通常从大气压开始抽真空，得到所需要的真空度往往需要2～3种真空泵组合起来构成真空排气系统。例如，采用机械泵和吸附泵等前级泵从一个大气压开始抽气获得较低的压力，在此基础上，进一步采用次级泵从较低的压力抽到更低压力下的真空［3］。基于此，可以切入“合作意识”的教育。2023年，博鳌亚洲论坛年会提出“不确定的世界：团结合作迎挑战，开放包容促发展”的主题，可见团结合作是发展的趋势。同样，在科研过程中大协作、大联合也是获得科技成果突破的法宝之一，合作对推进科学技术前沿发展具有重要意义。当前科学发展条件下，科研人员的思维方式和科研活动的组织形式日新月异。越来越多的科学工作者，科研机构都采取合作的方式攻克研究中的难题。2017年，我国启动“一带一路”科技创新行动计划，和共建国家建立科技合作关系，“创新丝绸之路”建设欣欣向荣。近年来，与葡萄牙在海洋科学领域的合作越来越密切，双方共建联合实验室，实现科研能力互补，推动了双方海洋生物科学与技术的研究，提高了两国海洋生物领域科技创新能力。科研合作对于加快科技创新起到了重要作用。此外，随着交叉领域研究的兴起，合作对于解决问题非常必要。当然，在科研之外，学习生活中许多目标的实现也需要合作来完成。因此，引导学生树立合作意识，塑造团结合作的理念，为将来进入社会贡献一己之力。

3"薄膜制备

传统的薄膜制备方法包括物理和化学方法，主要涉及溅射、离子镀、外延、化学气相沉积等，课堂教学主要以传统制备方法及其原理为主，内容理论性强。因此，可以结合最新科研成果进行介绍。2023年，Nature杂志上发表的关于制备方法的工作中，美国麻省理工学院的研究人员探索开发出一种“非外延单晶生长”的方法，在工业硅晶圆上生长制备出纯净的、无缺陷的二维材料，对于制造越来越小的晶体管非常有利。在此基础上，该研究组制备出一个简单的过渡金属二硫化物（TMD）晶体管，具有良好的电学性能［4］。此类研究工作可以起到为后摩尔时代探路的作用，类似地，引导学生在课堂之外积极查阅最新科研动态，积极探索新方法、新技术，思考目前我们国家面临的“卡脖子”技术问题等。此外，结合薄膜制备过程中一些基本原则进行扩展，比如选择衬底的时候，除了从科学的角度上需要遵循一定的原则，还必须结合实际应用、成本、工艺等现实问题进行综合考虑。在材料、物理方面的知识之外，工艺费用、环保健康因素、效率等则涉及经济学、环境和人文社科方面的知识。现代社会中，工业技术问题通常是多种因素共同作用的结果，仅靠单一学科的知识往往很难解决，需要融合多学科知识。在介绍基本的实验细节时，比如处理衬底时，为什么对看似洁净的衬底仍然需要按照步骤一步一步进行清洗？在清洗的时候，选择合适浓度的清洗液刻蚀液，处理的时间严格按照清理原则进行，才可以避免由于清洗不到位对于后续薄膜的生长带来的影响，引导学生在科研过程中注重细节，打好基础，培养良好的实验习惯，打造精益求精的工匠精神。

4"薄膜材料的形核、生长及表征

在薄膜形核与生长的教学中，学生需要掌握薄膜生长过程中主要的影响因素，设计调整工艺参数去制备需要的薄膜。通过对基于实验观测划分的薄膜生长模式的介绍，引导学生自主分析问题，培养独立思考并解决问题的能力。在薄膜生长机理的探索中，科学工作者通过大量的实验，建立模型，反复验证。但是，由于实验上遇到的困难以及理论中参数有效性的不确定性，成核理论还需要继续完善，大量系统的工作还有待完成。通过对理论提出、发展过程的介绍，激发学生的科研兴趣，培养探索精神。

薄膜表征的教学中，以磁性薄膜为例，该类薄膜应用于磁存储介质及磁传感器中，可用于计算机硬盘、磁随机存储器等电子信息器件中，对于信息安全、保护等非常重要。清晰地解析样品的磁结构，是研究磁性的基础。磁性薄膜的分析需要反射谱仪，分析磁性薄膜的反射中子的特性是准确地描绘出各层的磁性分布的有效手段。国际上的散裂中子源对反射谱仪的建设十分重视。在我国谱仪建设的过程中，谱仪科学家朱涛的经历值得学习。作为谱仪科学家，形成自己的研究兴趣、具有独立的研究能力以及完整的研究经历，有助于更好、更有效地与用户沟通，帮助指导用户利用谱仪进行研究，产出高水平高质量的研究成果［5］。

5"薄膜的性质及应用

不同的薄膜有不同的性质及应用。比如半导体器件、集成电路中使用的各类材料，导电材料与介质薄膜材料，超导薄膜材料，光学薄膜材料，智能薄膜材料等。根据应用、功能的不同，需要对薄膜材料进行客观评价，测定各种特性和效应。结合科学前沿，向学生介绍薄膜的性质应用，并引导学生在这些前沿科技上拓展、调研。中国科学技术大学俞书宏院士团队基于仿生结构制备出了高性能透明可折叠薄膜，研究表明该薄膜的力学、热力学和光学特性优异，可用于精密光学器件和柔性电子器件领域，基于该薄膜制备了近场通信电路电子器件。清华大学任天令教授团队利用具有超薄单原子层厚度以及其优异导电性能的石墨烯薄膜，首次制备出具有良好电学性能的亚1纳米栅极长度的晶体管。美国斯坦福大学的一项研究展示了一种多层薄膜传感器，可应用于人造电子皮肤，迈出了模仿人类皮肤的关键一步。人造皮肤由不同的功能层组成，每层功能层薄膜厚度可薄至1微米，甚至更薄。因此，10层或更多功能层堆叠在一起的厚度不超过一张纸。该传感器充分利用了不同功能层材料不同的特性，如感应热、外力等特性，可以分别对温度、压力感应［6］。

6"薄膜与社会热点

新一轮能源危机已经逐步上演，应对该危机已成为全球性问题。2023年博鳌新型电力系统国际论坛提出“开放·合作·共享，推进能源绿色低碳发展”的主题，探索新型电力系统发展路径，以实现“碳达峰碳中和”目标。近几年，美、欧等发达经济体均将薄膜太阳能列入战略发展方向，加紧布局技术研发和产业化。因此，作为新时期的学生，可以增强理论知识储备，多了解新能源技术如薄膜太阳能技术等。

同时，随着全球工业化进程的不断推进，引发的系列环境问题日益严重，成为人类关注的热点问题之一。其中包括气体污染，其加剧导致了全球气温的升高。在减少产生污染气体的基础之上，将现有排放系统中的这类气体捕获下来，阻止其排放到大气环境中，也是减少大气污染的重要方式。在捕获这些气体时，薄膜分离材料能实现高效的气体分离，故能成为助力实现“双碳”目标的重要手段。Metalorganic"Framework（MOF）薄膜是其中强有力的候选者。近期，苏州大学副教授刘琦及其合作者通过探索合成方法，将MOF薄膜的厚度降低到理论极限值，发表了目前公开报道中最薄的MOF薄膜，其单一晶胞的厚度仅有2nm。该MOF薄膜具备分子筛分的能力，能用于分离气体。并且该方法具有较好的普适性，为MOF极薄薄膜的发展提供新思路［7］。同时，可以结合该研究背后的事迹，研究者对如何确定课题，如何解决实验制备、表征中遇到的难题，最后如何成功发表该工作进行介绍，增加学生的科研经验值，培养其科研能力。

结语

高等教育不仅要满足当前国家关键领域急需人才培养的需求，还必须系统谋划、统筹全局，培养未来科技领军人才及大批高素质的创新创业人才，因此，贯彻和实施科教融合的教学模式至关重要。“薄膜材料及其制备技术”等理工类课程的教学，需要结合时代背景，切实提高课程内容教学设计和教学延伸，在理想信念、精神品质、学科知识、思维能力等方面，积极将能力培养和专业知识传授融合。除了课堂上教师的介绍，课外也需要积极引导学生对先进的、前沿的薄膜材料及技术等调研，了解目前薄膜领域的最新动态，从文献或者新闻中获得知识，从而在实现理工类课程立德树人目的的基础上，有效地实现科教融合。

参考文献：

［1］李建春，刘辛夷.科教融合：缘起、问题与路径：创新人才培养模式的变革与实践［J］.宁波教育学院学报，2020，22（03）：14+83.

［2］邓崇海，王黎丽，姚李，等.工程认证背景下物理化学模块化教学实践与思考［J］.广州化工，2020，48（13）：121123.

［3］郑伟涛.薄膜材料与薄膜技术［M］.2版.北京：化学工业出版社，2007.

［4］KIM"K"S，LEE，D，CHANG"C"S，et"al.Nonepitaxial"singlecrystal"2D"material"growth"by"geometric"confinement［J］.Nature，2023（614）：8894.

［5］田瑞颖.薄膜材料的微观探针［N］.中国科学报，2019822（8）.

［6］张佳欣.人造电子皮肤破损后可自行修复［N］..科技日报，20230605（04）.

［7］LIU"Q，MIAO"Y，VILLALOBOS"L"F，et"al.Unitcellthick"zeolitic"imidazolate"framework"films"for"membrane"application［J］.Nat"Mater，2023（22）：13871393.

基金项目：国家自然科学基金面上项目（编号：12374093，52122205，52072324）；湖南省自然科学基金面上项目（编号：2023JJ30592）

作者简介：郑帅至（1984—"），女，汉族，福建莆田人，博士，副教授，主要从事功能材料与器件研究。

*通讯作者：廖敏（1983—"），男，汉族，湖南衡阳人，博士，教授，主要从事铁电存储器和氧化物半导体器件研究。