大學(xué)物理實驗學(xué)生科研素養(yǎng)培養(yǎng)
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【摘要】在大學(xué)物理實驗中，微波光學(xué)實驗儀是為數(shù)不多的能夠操作多個實驗項目的綜合實驗儀器，能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和科學(xué)探索的精神，可以開設(shè)例如布拉格衍射、布儒斯特角、纖維光學(xué)、邁克爾遜干涉、法布里--珀羅干涉、勞埃德鏡、駐波--測量波長、雙縫干涉、偏振等多個實驗項目。在諸多實驗項目中，布拉格衍射是學(xué)生感到很困惑，經(jīng)常無從著手的實驗項目，主要因為非物理專業(yè)的學(xué)生對固體物理方面的知識接觸不多。學(xué)生對于晶體、晶面、晶格、晶胞等知識點不了解。所以借助MaterialStudio軟件強(qiáng)大的可視和計算功能，給學(xué)生展示各種單原子、氧化物材料的結(jié)構(gòu)，并初步掌握此軟件的操作和計算功能。為材料或者電子專業(yè)的學(xué)生提供深入學(xué)習(xí)和創(chuàng)新平臺，提高科研素養(yǎng)。
【關(guān)鍵詞】微波光學(xué)實驗；衍射；晶格；MaterialStudio；科研素養(yǎng)
一、通過大學(xué)物理實驗引入
MaterialStudio軟件在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的作用，以微波光學(xué)實驗（布拉格衍射）為例。實驗儀器由成都世紀(jì)中科儀器有限公司提供。實驗?zāi)康氖橇私獠祭裱苌涞膶嶒炘?，測量立方晶振晶面間距。由晶格中原子按照一定規(guī)律形成周期性排列的固體叫做晶體。晶體內(nèi)的離子、原子或者分子占據(jù)著點陣的結(jié)構(gòu)，兩相鄰結(jié)點的距離叫晶體的晶格常數(shù)d。真實晶體的晶格常數(shù)約為10-8cm的數(shù)量級。X射線的波長與晶格常數(shù)屬于同一數(shù)量級，X光通過晶體時能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，實際上晶體是起衍射光柵的作用。此實驗開始之前，已經(jīng)對學(xué)生開設(shè)了光柵衍射和超聲光柵實驗。學(xué)生已經(jīng)有了一定光學(xué)衍射知識的基礎(chǔ)。因此，可以利用X射線在晶體點陣上的衍射現(xiàn)象，研究晶體點陣的間距和相互位置的排列，以達(dá)到對晶體結(jié)構(gòu)的了解。布拉格父子（英國物理學(xué)家）在1913年研究X射線在晶面上的反射時，得到了著名的布拉格公式。本實驗是仿照X射線入射真實晶體發(fā)生衍射的基本原理，用金屬球制作了一個方形點陣的模擬晶陣，“晶格常數(shù)”d設(shè)定為5cm,用微波代替X射線。將微波射向模擬晶體，觀察從不同晶體點陣面反射的微波相互干涉所需要的條件：布拉格方程2dsinθ=nλ。布拉格衍射的示意圖，如圖1所示。布拉格定律將晶體的晶面間距和X射線衍射角聯(lián)系起來研究晶體結(jié)構(gòu)。在本實驗中用一個面間距為5cm,直徑1cm的金屬球組成的模擬立方“晶體”驗證布拉格定律。實驗前，應(yīng)先了解布拉格衍射的原理。特別是入射波必須滿足兩個條件，即(1)入射角等于反射角；(2)布拉格公式2dsinθ=nλ其中d為晶面間距，θ為掠射角（入射線或反射線與反射面之間的夾角稱為掠射角），n為正整數(shù)，λ為入射波波長。實驗步驟如下，如圖2布置實驗記錄。接通電源，先讓晶體平行于微波光軸，即接收器置于180度處，晶陣座上的指示線與90度對齊，此時的掠射角θ為0度。順時針旋轉(zhuǎn)晶體，使掠射角增大到20度，反射方向的掠射角也對應(yīng)改變?yōu)?0度（此時晶體座對應(yīng)刻度為70度，活動臂中心刻度線對應(yīng)為同方向140度）。調(diào)節(jié)衰減器強(qiáng)弱及電流表的擋位開關(guān)，使電流表的顯示電流值適中（1/2量程，可自行調(diào)整），記下該值。然后順時針旋轉(zhuǎn)晶體座1度（即掠射角增加1度），接收器活動臂順時針旋轉(zhuǎn)2度（使反射角等于入射角），記錄掠射角角度和對應(yīng)電流表讀數(shù)。重復(fù)步驟4，記錄掠射角從20度到70度之間的數(shù)值。作接收信號強(qiáng)度對掠射角的函數(shù)曲線，如圖3所示。根據(jù)曲線找出極大值對應(yīng)的角度為36度和65度。根據(jù)布拉格公式（n分別取值2和3）計算模擬晶陣的晶面間距，并比較測出的晶面間距與實際間距5cm之間的相對誤差分別為8%和5.8%，誤差原因可能是微波發(fā)射以及傳播過程中受到外界干擾所致，儀器開放度很大，在操作過程中很容易遮擋微波傳播的路徑而造成干擾。數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，進(jìn)一步讓學(xué)生借助軟件了解各種晶體的魅力。MaterialsStudio系列產(chǎn)品用于滿足材料物理工業(yè)的實際需要，同時也是學(xué)術(shù)研究的好幫手和一種新型的、功能強(qiáng)大的教學(xué)工具。MaterialsStudio將可靠的科學(xué)工具帶到桌面PC系統(tǒng)上，這些科學(xué)工具的可靠性被許多世界領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)的工作所證實?；诿芏确汉矫娌ㄚI勢方法的CASTEP模塊可以對許多體系包括像半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、礦石、沸石等進(jìn)行第一性原理量子力學(xué)計算。典型的功能包括研究表面化學(xué)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、熱學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。它也能夠研究體系電荷密度的空間分布和體系波函數(shù)。用MaterialsStudio軟件模擬簡單的NaCl晶體，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，原子排布與微波光學(xué)晶陣中的原子排布相似。圖5給出利用布拉格衍射原理測得的XRD衍射數(shù)據(jù)。進(jìn)一步讓學(xué)生優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，計算晶體的態(tài)密度，如圖6所示。XRD圖中較大的衍射峰位主要分別分布在32o，45o和實驗測量的結(jié)果一致。能帶計算得到帶隙為4.686eV，帶隙的存在說明材料本身是絕緣體，與實際一致。大學(xué)物理實驗微波光學(xué)知識的掌握得到升華。
二、MaterialStudio軟件實現(xiàn)教研融合
為了進(jìn)一步鞏固微波光學(xué)中的布拉格衍射知識，讓學(xué)生更加深刻體會真實晶體的晶格結(jié)構(gòu)，X射線衍射測量，以及MaterialsStudio軟件的應(yīng)用。讓學(xué)生通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目參與到真實的晶體燒綠石的制作過程中來。具有A2B2O7燒綠石結(jié)構(gòu)的材料其組成成分十分廣泛，材料的顯著性能使得其具有廣泛的用途。A位和B位組分的變化引起的離子和電子傳導(dǎo)率的巨大變化，或者是催化活性、電光和壓電行為的改變。因為它們可以用來固定錒系元素，燒綠石在理論和實驗上都引起了極大的關(guān)注。A位為Y元素，B位為Ir元素的5d過渡金屬氧化物Y2Ir2O7是存在一種特殊的磁有序結(jié)構(gòu)的燒綠石材料，具有強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用，其低能激發(fā)的能量-動量色散關(guān)系精確地滿足Weyl方程。而這種低能準(zhǔn)粒子激發(fā)就是人們找尋多年的Weyl費(fèi)米子，該物質(zhì)態(tài)被稱為Weyl半金屬。該發(fā)現(xiàn)是國際凝聚態(tài)物理前沿的重要科學(xué)突破，Weyl半金屬新奇的物理性質(zhì)對低能耗電子器件、量子計算等方面具有重要意義。我們首先用固相反應(yīng)法燒制了Y2Ir2O7樣品，然后進(jìn)行XRD衍射實驗檢驗樣品是否有雜相。用MaterialsStudio軟件模擬了Y2Ir2O7的結(jié)構(gòu)，計算了材料的能帶和態(tài)密度，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。多晶燒綠石材料A2Ir2O7(A=Y)是按照化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量氧化物Y2O3（純度為99.99%），IrO2（純度為99.95%），充分研磨均勻混合后，放入剛玉坩堝，置于馬弗爐中溫度為700℃預(yù)燒12小時，自然冷卻后，充分研磨，均勻混合，溫度為1000-1050℃燒制三天。添加10%的IrO2，繼續(xù)在1150℃連續(xù)燒三天。樣品用壓片機(jī)壓制成直徑為13毫米，厚度為1毫米的圓片。用X射線衍射儀對其結(jié)構(gòu)和純度進(jìn)行研究。實驗結(jié)果顯示所做樣品純度較高。學(xué)生在燒制樣品中熟悉了固相反應(yīng)法燒制樣品的流程。然后引導(dǎo)學(xué)生用MaterialStudio軟件建模如圖7所示和進(jìn)行簡單的態(tài)密度計算如圖9-12。粉末樣品的XRD圖中較大的衍射峰位主要分別分布在15o、30o、35o、50o、60o，和MaterialStudio軟件中擬合的結(jié)果（圖8）一致。實驗值和理論值一致。能帶計算中，帶隙的存在說明材料本身是絕緣體，與實際的電阻率數(shù)據(jù)結(jié)論一致。三種元素的電子排布為，Y(4s2,4p6,4d1,5s2)，Ir(4f14,5d7,6S2)和O(1s2,2s2,2p4)。從分波動態(tài)密度圖(10-12)中可以看出，價帶（0-10v）處態(tài)密度主要來自于O原子的2P軌道貢獻(xiàn)最大，Ir原子的5d軌道貢獻(xiàn)次之。導(dǎo)帶(0-10V)處，態(tài)密度主要由Ir的5d和Y原子的4d軌道貢獻(xiàn)最大，O的2P軌道貢獻(xiàn)次之。-20v處態(tài)密度主要是由Y原子的4P軌道和O原子的S軌道貢獻(xiàn)。-40V處態(tài)密度主要是由Y原子的4S軌道貢獻(xiàn)的。
三、總結(jié)
通過大學(xué)物理實驗—微波光學(xué)實驗（成都世紀(jì)中科儀器有限公司生產(chǎn)）的開設(shè)，讓有一定大學(xué)物理實驗基礎(chǔ)和大學(xué)物理理論知識的學(xué)生進(jìn)一步了解晶體和晶格相關(guān)知識，理解如何用“人造”晶體模型和微波(代替真實X射線)來測量晶體的布拉格衍射，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解真實晶體的X射線晶體衍射測量手段。進(jìn)一步把MaterialStudio軟件介紹給學(xué)生，開闊了學(xué)生的眼界，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)探索能力。使用該軟件可以非?？焖俚氐贸鰧嶒灲Y(jié)果，且實驗結(jié)果精確。盡管MaterialStudio軟件也有本身的設(shè)計缺陷，某些量的計算有一定的偏差，但是作為想要進(jìn)一步讀研深造的學(xué)生以及將來從事材料物理與化學(xué)及電子類等相關(guān)行業(yè)的學(xué)生來說，不失為一款很好的入門軟件。
作者：邊健 豐遠(yuǎn) 劉慧 馬翠玲 朱守金 單位：合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院
