电子陶瓷物理课程教学中的体会

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摘要：本文讨论了研究生“电子陶瓷物理”课程的教学中的体会思考与改革实践情况，涉及本课程已具备的基础条件、教学中的体会、课堂实践及存在的问题等，可供同仁借鉴。

关键词：电子陶瓷物理；课程教学；教学体会；课堂实践

中图分类号：G642.4 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2014）02-0148-03

一、引言

电子科技大学的“电子陶瓷物理”是电子科技大学微电子和固体电子专业研究生的基础课程。陶瓷是人类社会文明进步的产物和象征之一。在世界由钢铁时代向信息时代转变以及经济全球化的进程中，人类对陶瓷材料电性能的开发利用发挥了极为重要的作用。电子陶瓷在电子信息技术领域影响面宽并且使用量大，已成为电子信息技术发展的重要物质基础。电子陶瓷材料是指检测、转换、耦合、传输及存储电、光、声、热、力、化学和生物等信息的介质材料，主要包括介电、铁电、压电、微波等陶瓷材料，在当前的材料科学和工程中占有重要的地位。本课程在电子科技大学“电子材料”全国精品课程[1，2]（本科生课程）的基础上，进一步深入学习电子陶瓷的晶体缺陷的形成与变化、晶界的结构与性质、烧结的动力学因素及传质过程，力图使学生掌握电子陶瓷的电学特性与材料结构因素、工艺过程的内在联系，熟悉电子陶瓷晶体缺陷的表征方法以及质量作用定律处理缺陷反应过程的原理和方法，了解电子陶瓷晶界现象的基本特性，掌握陶瓷烧结过程中形成致密化结构的基本规律和原理。掌握铁电陶瓷基本特性，铁电相变宏观理论以及铁电陶瓷、铁电薄膜的相关应用。通过课程学习，增强学生的自学和分析能力、提高从事电子材料研究开发工作的能力。

二、本课程的现有基础

“电子陶瓷物理”是一门研究生专业基础课程，原定受众为具有一定专业基础知识，在研究生学习生涯中以电子陶瓷材料开发研究为主的高校研究生。相比本科生课程来说，所讲知识更专业、更精深，尤其要求掌握与电子陶瓷材料性能密切相关的物理知识。具体内容安排如下：

第一讲：电子陶瓷的晶体缺陷

本讲从陶瓷晶体缺陷与性能的关系讲起，要求了解陶瓷的构成因素，陶瓷的性质，电子陶瓷典型材料的晶体缺陷与性能的关系，MLC的发展趋势及使用的电子陶瓷材料。要求学生掌握缺陷的分类、标记法则，书写缺陷反应方程式等，并能熟悉应用质量作用定律处理缺陷浓度。通过实例――镍电极多层陶瓷电容器用陶瓷材料，讲授钛酸钡陶瓷的缺陷模型，通过例子让同学们掌握不同掺杂类型下钛酸钡陶瓷的缺陷模型及抗还原机理。本讲的重点是掌握点缺陷标记法，理解缺陷反应方程式的原理，掌握缺陷方程式的书写方法。难点是基于缺陷反应方程式和质量作用定律的计算问题，理解钛酸钡陶瓷的缺陷模型。

第二讲：电子陶瓷的晶界现象

本讲以电子陶瓷结构分类、显微结构与陶瓷物理性质的联系等引入晶界概念，要求学生掌握晶界现象的基本特征、物理效应，并能够应用这些特征和物理效应开发新型材料。理解陶瓷的晶界结构、溶质偏析和相分离现象，对不同的晶界分析其不同的电学性质。本章的重点是掌握晶界的特点，掌握陶瓷晶界与金属晶界的异同，理解晶界及其附近组成变化的四种情形，理解偏析和析出的原因，掌握偏析的影响。难点是理解半导体陶瓷的界面能级和双重肖特基势垒理论，通过粒界的全电流公式讨论钛酸钡陶瓷在居里点附近的电流变化特性。

第三讲：陶瓷的烧结与传质

本讲讲解近代陶瓷科学关于烧结与传质的相关知识，介绍促使陶瓷材料致密化的主要工艺和方法，要求学生掌握烧结和固相反应的定义、烧结推动力及过程的能量转换，掌握气相烧结、固相烧结和液相烧结的定义、传质机理、烧结中的出现的现象及几种烧结模式下简单的烧结理论的定量处理。本章的重点是掌握各种烧结条件下的物质传输方式和烧结特性，传质机理，烧结的推动力及烧结过程的能量变化。难点是理解和运用烧结方程处理相关问题。

第四讲：铁电相变的宏观理论

本讲以铁电材料、铁电存储器的应用等引入铁电相变概念，要求学生掌握电介质的特征函数，一级铁电相变的定义、热滞现象、特征函数中系数的测定，二级铁电相变的定义、特征函数中系数的测定，电畴的定义、形成及极化反转过程。本章的重点是掌握一级铁电相变和二级铁电相变各自的特征和区别，掌握引起极化反转疲劳的因素，掌握铁电电畴、极化反转的基本概念，以及相关应用原理。难点是掌握朗道相变理论和德冯希尔理论及其应用。

三、教学问题体会及改革实践

（一）在实际教学中，笔者体会到存在的问题主要有三点

1.本课程原定受众为具有一定专业基础知识，前期已学习过“固体物理”、“电子材料”等基础课程并有一定实践基础的高校研究生。然而，在实际教学中发现，有不少学生是跨专业考研，材料基础知识薄弱，对基本的晶体结构、材料组成等都不太了解。而对于本专业学生，也存在由于本科学习时间间隔较长而遗忘了部分知识等现象。

2.本课程中部分知识要求学生掌握或了解实际实验室操作，如第三讲陶瓷的烧结与传质，如果同学有一定的电子陶瓷工艺实验基础会对课堂教授内容有更深入的理解。但实际教学发现，由于研究生一年级阶段主要以上课为主，进入到实验室参与实际工作的同学较少。尤其是跨专业同学，对实验室知识几乎没有任何了解。造成对课堂知识的理解有一定的难度。

3.本课程使用的教材为华中理工大学出版社出版的李标荣、张绪礼编著的《电子陶瓷物理》[3]，此教材非常经典，电子陶瓷的基本物理知识都讲得非常清楚。然而，本教材出版时间为1991年，部分实例已无法与现代陶瓷发展匹配。如何将经典的理论运用到日新月异的电子陶瓷研究中，如何将相对枯燥的数学公式结合实际生产应用，引起同学们学习的兴趣，是值得下功夫的。

（二）针对上诉体会，在实际教学中，作了一些课堂改革实践

1.补充了少量必要的基础知识，如电子陶瓷材料中的基本键型和常见晶体结构，要求重点掌握钙钛矿结构。介绍了电子陶瓷材料的常规制备方法，包括电子陶瓷材料的粉体技术、成型技术、烧结技术和表面加工技术。主要目的是给跨专业同学指明需要补习的知识，以便在课下更有针对性地学习这部分知识以免耽误课堂时间，同时也给本专业同学重新温习相关知识，为后面的学习打下牢固基础。

2.请学生以大课题组分组介绍自己将来从事的大致研究方向的背景知识介绍。主要目的是让还没有进入实验室的学生去了解一下实验室的大致运作，在实际的实验室中去感受电子陶瓷的基本实验过程。同时通过学生们的相互介绍，也让学生对本系的老师们的研究有一个初步的了解，扩宽其知识面。在学生的介绍中，了解到目前在研项目除了常规的电子陶瓷块体材料及器件、薄膜材料及器件之外，还有诸如隐身材料、太阳能电池、石墨烯、pcb版覆铜等研究，极大地激发了他们的兴趣，也让其思索所学的电子陶瓷物理的基础知识如何能应用在即将到来的研究生研究工作中。

3.在教学中更多地使用实例，拓展到实际社会应用，让学生感受到所学知识可以应用在实际生产中，激发其学习研究的兴趣，更多地关注时下与电子材料相关的新闻动向。例如，随着微波介质陶瓷在现代生活中广泛使用，MLC材料及器件作为重要的电子信息基础材料获得了很多研究发展结果，在课堂中介绍了相应的研究结果，例如应用课堂所讲的抗还原机理及缺陷化学反应方程式进行材料分析设计新的LTCC、HTCC材料等；在无锡尚德宣告破产时，恰好讲到电子陶瓷中与太阳能电池相关的部分知识，给学生拓展普及了一下光伏产业的兴衰及现下面临的困境，同时也和他们一起讨论了当下水电、风电、太阳能发电等新兴能源行业的利弊等，这些课堂拓展及讨论以社会热点为载体，使学生能了解与信息技术密切相关的电子陶瓷材料的类型、特点，发展动态及其在日常生活中的应用，传播电子陶瓷材料领域前沿知识，激发大家对电子陶瓷材料研究的兴趣。

应该说，所做的课堂实践得到了一定的效果，在课堂教学中获得了较好的评价。然而，如同我们所知，大多数的学习者不太愿意接受传统的授课模式，认为教师讲课和与学生互动都是不可或缺的元素，希望教师带领学生一起思辨，但对于这样一门基础理论性较强的课程来说，如何提高课堂互动性，让同学们更好地参与到课堂教学中来，也是将来尚需改进的。

参考文献：

[1]李言荣，恽正中，曲喜新.电子材料导论[M].清华大学出版社，2001.

[2]李言荣，林媛，陶伯万.电子材料[M].清华大学出版社，2013.

[3]李标荣、张绪礼.电子陶瓷物理[M].华中理工大学出版社，1991.