大学物理实验学生科研素养培养

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【摘要】在大学物理实验中，微波光学实验仪是为数不多的能够操作多个实验项目的综合实验仪器，能够培养学生的综合创新能力和科学探索的精神，可以开设例如布拉格衍射、布儒斯特角、纤维光学、迈克尔逊干涉、法布里--珀罗干涉、劳埃德镜、驻波--测量波长、双缝干涉、偏振等多个实验项目。在诸多实验项目中，布拉格衍射是学生感到很困惑，经常无从着手的实验项目，主要因为非物理专业的学生对固体物理方面的知识接触不多。学生对于晶体、晶面、晶格、晶胞等知识点不了解。所以借助MaterialStudio软件强大的可视和计算功能，给学生展示各种单原子、氧化物材料的结构，并初步掌握此软件的操作和计算功能。为材料或者电子专业的学生提供深入学习和创新平台，提高科研素养。

【关键词】微波光学实验；衍射；晶格；MaterialStudio；科研素养

一、通过大学物理实验引入

MaterialStudio软件在大学物理实验教学中的作用，以微波光学实验（布拉格衍射）为例。实验仪器由成都世纪中科仪器有限公司提供。实验目的是了解布拉格衍射的实验原理，测量立方晶振晶面间距。由晶格中原子按照一定规律形成周期性排列的固体叫做晶体。晶体内的离子、原子或者分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数d。真实晶体的晶格常数约为10-8cm的数量级。X射线的波长与晶格常数属于同一数量级，X光通过晶体时能产生明显的衍射现象，实际上晶体是起衍射光栅的作用。此实验开始之前，已经对学生开设了光栅衍射和超声光栅实验。学生已经有了一定光学衍射知识的基础。因此，可以利用X射线在晶体点阵上的衍射现象，研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。布拉格父子（英国物理学家）在1913年研究X射线在晶面上的反射时，得到了著名的布拉格公式。本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，用金属球制作了一个方形点阵的模拟晶阵，“晶格常数”d设定为5cm,用微波代替X射线。将微波射向模拟晶体，观察从不同晶体点阵面反射的微波相互干涉所需要的条件：布拉格方程2dsinθ=nλ。布拉格衍射的示意图，如图1所示。布拉格定律将晶体的晶面间距和X射线衍射角联系起来研究晶体结构。在本实验中用一个面间距为5cm,直径1cm的金属球组成的模拟立方“晶体”验证布拉格定律。实验前，应先了解布拉格衍射的原理。特别是入射波必须满足两个条件，即(1)入射角等于反射角；(2)布拉格公式2dsinθ=nλ其中d为晶面间距，θ为掠射角（入射线或反射线与反射面之间的夹角称为掠射角），n为正整数，λ为入射波波长。实验步骤如下，如图2布置实验记录。接通电源，先让晶体平行于微波光轴，即接收器置于180度处，晶阵座上的指示线与90度对齐，此时的掠射角θ为0度。顺时针旋转晶体，使掠射角增大到20度，反射方向的掠射角也对应改变为20度（此时晶体座对应刻度为70度，活动臂中心刻度线对应为同方向140度）。调节衰减器强弱及电流表的挡位开关，使电流表的显示电流值适中（1/2量程，可自行调整），记下该值。然后顺时针旋转晶体座1度（即掠射角增加1度），接收器活动臂顺时针旋转2度（使反射角等于入射角），记录掠射角角度和对应电流表读数。重复步骤4，记录掠射角从20度到70度之间的数值。作接收信号强度对掠射角的函数曲线，如图3所示。根据曲线找出极大值对应的角度为36度和65度。根据布拉格公式（n分别取值2和3）计算模拟晶阵的晶面间距，并比较测出的晶面间距与实际间距5cm之间的相对误差分别为8%和5.8%，误差原因可能是微波发射以及传播过程中受到外界干扰所致，仪器开放度很大，在操作过程中很容易遮挡微波传播的路径而造成干扰。数据处理结束后，进一步让学生借助软件了解各种晶体的魅力。MaterialsStudio系列产品用于满足材料物理工业的实际需要，同时也是学术研究的好帮手和一种新型的、功能强大的教学工具。MaterialsStudio将可靠的科学工具带到桌面PC系统上，这些科学工具的可靠性被许多世界领先的研究机构的工作所证实。基于密度泛函平面波赝势方法的CASTEP模块可以对许多体系包括像半导体、陶瓷、金属、矿石、沸石等进行第一性原理量子力学计算。典型的功能包括研究表面化学、能带结构、态密度、热学性质和光学性质。它也能够研究体系电荷密度的空间分布和体系波函数。用MaterialsStudio软件模拟简单的NaCl晶体，结构图如图4所示，原子排布与微波光学晶阵中的原子排布相似。图5给出利用布拉格衍射原理测得的XRD衍射数据。进一步让学生优化晶体结构，计算晶体的态密度，如图6所示。XRD图中较大的衍射峰位主要分别分布在32o，45o和实验测量的结果一致。能带计算得到带隙为4.686eV，带隙的存在说明材料本身是绝缘体，与实际一致。大学物理实验微波光学知识的掌握得到升华。

二、MaterialStudio软件实现教研融合

为了进一步巩固微波光学中的布拉格衍射知识，让学生更加深刻体会真实晶体的晶格结构，X射线衍射测量，以及MaterialsStudio软件的应用。让学生通过大学生创新创业项目参与到真实的晶体烧绿石的制作过程中来。具有A2B2O7烧绿石结构的材料其组成成分十分广泛，材料的显著性能使得其具有广泛的用途。A位和B位组分的变化引起的离子和电子传导率的巨大变化，或者是催化活性、电光和压电行为的改变。因为它们可以用来固定锕系元素，烧绿石在理论和实验上都引起了极大的关注。A位为Y元素，B位为Ir元素的5d过渡金属氧化物Y2Ir2O7是存在一种特殊的磁有序结构的烧绿石材料，具有强的自旋轨道耦合相互作用，其低能激发的能量-动量色散关系精确地满足Weyl方程。而这种低能准粒子激发就是人们找寻多年的Weyl费米子，该物质态被称为Weyl半金属。该发现是国际凝聚态物理前沿的重要科学突破，Weyl半金属新奇的物理性质对低能耗电子器件、量子计算等方面具有重要意义。我们首先用固相反应法烧制了Y2Ir2O7样品，然后进行XRD衍射实验检验样品是否有杂相。用MaterialsStudio软件模拟了Y2Ir2O7的结构，计算了材料的能带和态密度，并对模拟结果进行了分析。多晶烧绿石材料A2Ir2O7(A=Y)是按照化学计量比准确称量氧化物Y2O3（纯度为99.99%），IrO2（纯度为99.95%），充分研磨均匀混合后，放入刚玉坩埚，置于马弗炉中温度为700℃预烧12小时，自然冷却后，充分研磨，均匀混合，温度为1000-1050℃烧制三天。添加10%的IrO2，继续在1150℃连续烧三天。样品用压片机压制成直径为13毫米，厚度为1毫米的圆片。用X射线衍射仪对其结构和纯度进行研究。实验结果显示所做样品纯度较高。学生在烧制样品中熟悉了固相反应法烧制样品的流程。然后引导学生用MaterialStudio软件建模如图7所示和进行简单的态密度计算如图9-12。粉末样品的XRD图中较大的衍射峰位主要分别分布在15o、30o、35o、50o、60o，和MaterialStudio软件中拟合的结果（图8）一致。实验值和理论值一致。能带计算中，带隙的存在说明材料本身是绝缘体，与实际的电阻率数据结论一致。三种元素的电子排布为，Y(4s2,4p6,4d1,5s2)，Ir(4f14,5d7,6S2)和O(1s2,2s2,2p4)。从分波动态密度图(10-12)中可以看出，价带（0-10v）处态密度主要来自于O原子的2P轨道贡献最大，Ir原子的5d轨道贡献次之。导带(0-10V)处，态密度主要由Ir的5d和Y原子的4d轨道贡献最大，O的2P轨道贡献次之。-20v处态密度主要是由Y原子的4P轨道和O原子的S轨道贡献。-40V处态密度主要是由Y原子的4S轨道贡献的。

三、总结

通过大学物理实验—微波光学实验（成都世纪中科仪器有限公司生产）的开设，让有一定大学物理实验基础和大学物理理论知识的学生进一步了解晶体和晶格相关知识，理解如何用“人造”晶体模型和微波(代替真实X射线)来测量晶体的布拉格衍射，有利于学生进一步理解真实晶体的X射线晶体衍射测量手段。进一步把MaterialStudio软件介绍给学生，开阔了学生的眼界，提高了学生的创新能力和科学探索能力。使用该软件可以非常快速地得出实验结果，且实验结果精确。尽管MaterialStudio软件也有本身的设计缺陷，某些量的计算有一定的偏差，但是作为想要进一步读研深造的学生以及将来从事材料物理与化学及电子类等相关行业的学生来说，不失为一款很好的入门软件。

作者：边健 丰远 刘慧 马翠玲 朱守金 单位：合肥学院先进制造工程学院