陶志闊 薛俊俊

摘要：本科畢業(yè)設(shè)計（論文）是大學(xué)本科教學(xué)工作的最后一個環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)持續(xù)時間常且極為重要。本文以磁性材料研究相關(guān)課題為例，探討了在畢業(yè)設(shè)計（論文）開題階段，如何引導(dǎo)學(xué)生進入該研究領(lǐng)域并進行自主學(xué)習(xí)，進而完成一份合格的開題報告等相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：畢業(yè)設(shè)計（論文），開題報告，磁性材料

中圖分類號：G642.477 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0201-02

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）是本科實踐教學(xué)最后一個環(huán)節(jié)，也是本科教學(xué)所有環(huán)節(jié)中極為重要的一個環(huán)節(jié)。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生一方面對前三年半的大學(xué)學(xué)習(xí)進行一個綜合性的回顧，另一方面，對學(xué)生在下一步的就業(yè)、讀研等也起到了一定的指導(dǎo)作用。對于大部分畢業(yè)設(shè)計課題而言，其課題直接來源于指導(dǎo)教師的科研項目，其內(nèi)容與深度與學(xué)生前三年的專業(yè)知識多少有些脫節(jié)，尤其是對于一些剛剛參加工作的青年教師而言，其所擬指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計題目往往直接脫胎于博士階段的研究內(nèi)容，與本科生所掌握的基礎(chǔ)知識具有一定差距。所以，這就需要一個合理的方式使學(xué)生快速理解和掌握該課題的研究背景及研究內(nèi)容，順利開題，同時撰寫出一份合格的本科畢業(yè)設(shè)計開題報告。

本文就《GaN上Fe3N磁性薄膜材料的結(jié)構(gòu)特性研究》畢業(yè)設(shè)計課題為例，探索在開題階段，如何使學(xué)生從一無所知達到對課題具有一定的理解深度，進而撰寫出合格的開題報告。正如畢業(yè)設(shè)計題目所述，該課題屬于新材料、新結(jié)構(gòu)研究，該課題的研究目標(biāo)是對不同條件下制備的Fe3N磁性薄膜基本結(jié)構(gòu)進行研究，采用表征手段有X射線衍射技術(shù)（X-ray Diffraction，XRD）、透射電鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）以及原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）等，該課題的參與學(xué)生來自筆者所在專業(yè)即電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

對于該畢業(yè)設(shè)計課題，首先學(xué)生應(yīng)該明確，該課題屬于自旋電子學(xué)的研究領(lǐng)域，而對于一名普通的電子科學(xué)與技術(shù)的本科生，其三年半的基礎(chǔ)、專業(yè)課程基本沒有涉及到該課題方向，所以在文獻調(diào)研階段、開題報告撰寫階段很有必要從無到有、循序漸進使學(xué)生對該課題內(nèi)容進行學(xué)習(xí)。而作為指導(dǎo)教師，僅僅是提供參考文獻是不夠的，在關(guān)鍵概念上需要及時進行指導(dǎo)以及擴展閱讀。自旋電子學(xué)是一門既傳統(tǒng)又新穎的學(xué)科。謂之傳統(tǒng)，因為其脫胎于80年代的磁電子學(xué)；謂之新穎，因為伴隨一些新的概念、新的機制、新的材料不斷涌現(xiàn)，該學(xué)科在諸多領(lǐng)域都蓬勃發(fā)展。對于本專業(yè)學(xué)生，材料特性研究往往不能引起他們的學(xué)習(xí)興趣，而器件特性往往更加能夠激發(fā)其學(xué)習(xí)和探索的動力，所以在開題階段宜多多介紹和了解自旋電子學(xué)的基本器件以及器件設(shè)計發(fā)展方向。從最初的自旋閥結(jié)構(gòu)、巨磁電阻效應(yīng)以及諾貝爾物理學(xué)獎，到90年代自旋場效應(yīng)管的提出，再到自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用，逐步把自旋電子學(xué)器件的發(fā)展簡史和器件的相關(guān)特性介紹給學(xué)生，尤其是要介紹相關(guān)的器件應(yīng)用對電子學(xué)尤其是微電子學(xué)、納電子學(xué)領(lǐng)域的推動作用。作為指導(dǎo)教師，在開題階段，可以從以下幾個方面循序漸進指導(dǎo)學(xué)生對該課題從總體上進行調(diào)研，最終掌握該課題的研究目標(biāo)和內(nèi)容。

一、大概念的引入

該畢業(yè)設(shè)計課題屬于自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域，學(xué)生首先需要了解的就是自旋電子學(xué)的概念和研究領(lǐng)域。該專業(yè)的本科生在《大學(xué)物理》、《量子物理》等課程中接觸過電子自旋的概念，但對電子自旋在電子學(xué)中的應(yīng)用了解很少。作為指導(dǎo)教師，可以簡單的介紹傳統(tǒng)電子學(xué)的概念和研究領(lǐng)域，從而引出自旋的相關(guān)概念以及自旋電子學(xué)的研究領(lǐng)域—自旋電子學(xué)主要研究自旋的產(chǎn)生、操控和探測，并著重提出，與本畢業(yè)設(shè)計密切相關(guān)的是上述第一點，即自旋極化電流的產(chǎn)生。

接著，繼續(xù)引入自旋極化電流的產(chǎn)生方式：自旋極化電流的產(chǎn)生主要有兩種方式-電學(xué)注入和光學(xué)注入。對于筆者所在的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，其本科生培養(yǎng)方向之一是光電子方向，該方向的學(xué)生在本科階段學(xué)習(xí)過《物理光學(xué)》《量子物理》《光電子學(xué)》以及《激光原理》等課程，所以對于應(yīng)用光學(xué)注入產(chǎn)生自旋極化電流，學(xué)生完全有能力通過文獻調(diào)研掌握其相關(guān)基本概念；而對于自旋極化電流的電學(xué)注入方式，就需要學(xué)生進行相關(guān)背景專業(yè)知識的深入學(xué)習(xí)。

二、小方向的切入

對自旋電子學(xué)以及自旋極化電流相關(guān)概念有了一定的了解之后，就可以從鐵磁金屬/半導(dǎo)體（FM/SC）結(jié)構(gòu)這一小方向切入，對課題研究內(nèi)容進行更加深入的梳理。如果要把鐵磁金屬/半導(dǎo)體這一結(jié)構(gòu)相關(guān)概念、相關(guān)特性弄清楚，首先必須了解磁性材料相關(guān)概念。對于本專業(yè)的學(xué)生，磁電子學(xué)尤其是磁性材料相關(guān)內(nèi)容在專業(yè)課程中鮮有涉及，所以指導(dǎo)老師可以略加詳細的進行展開介紹。比如從介紹離子磁性和巡游電子磁性入手，進而介紹磁性材料的分類、磁疇的概念、磁化和退磁化的過程，矯頑力的概念等。

了解了磁性材料基本特性，進而指導(dǎo)學(xué)生對自旋極化電流的產(chǎn)生進行學(xué)習(xí)。這里涉及到兩個重要的概念—自旋極化率和自旋擴散長度。筆者所在專業(yè)學(xué)生在大二下學(xué)期學(xué)習(xí)了《量子物理》課程，在大三上學(xué)期學(xué)習(xí)了《固體物理》課程，所以可以直接從能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度計算的角度引入自旋極化率的概念、半金屬的概念，并指導(dǎo)學(xué)生自行文獻調(diào)研一些主要磁性材料的自旋極化率具體數(shù)值。而對于第二個概念—自旋擴散長度，學(xué)生在大三下學(xué)習(xí)了《半導(dǎo)體物理與器件》課程，所以可以從半導(dǎo)體中的散射機制入手，直接引入自旋相關(guān)散射的概念和內(nèi)容。有了這幾個相關(guān)概念，就可以比較順利的引入鐵磁金屬/半導(dǎo)體這一新型的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

三、研究目標(biāo)的明確

在對自旋極化電流、自旋注入以及磁性材料的基本概念掌握之后，下面可以明確了研究目標(biāo)—磁性材料的結(jié)構(gòu)特性。本畢業(yè)設(shè)計課題研究的是Fe3N這一新型磁性材料，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要學(xué)生下一定工夫才能搞懂。首先，對于本專業(yè)學(xué)生，在大三上學(xué)期學(xué)習(xí)了《固體電子導(dǎo)論》這門課程。該課程在開篇即先講授了晶體基本結(jié)構(gòu)、晶格特性等相關(guān)內(nèi)容。Fe3N屬于六角晶系，N原子占據(jù)八面體空位，但同時仍存有大量的八面體空位，這對于僅僅接觸過書本知識的學(xué)生來講理解起來比較吃力。當(dāng)然，雖然Fe3N材料的晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可以從Fe的基本結(jié)構(gòu)、八面體基本單元結(jié)構(gòu)、替位間隙位等概念入手，使學(xué)生逐漸對其空間結(jié)構(gòu)建立清晰的圖像。

其次，本畢業(yè)設(shè)計研究課題需要使用XRD等表征手段對Fe3N材料的晶體結(jié)構(gòu)進行表征，這就需要學(xué)生在開題階段對這些表征手段具有一定的了解，同時，在對表征手段進行調(diào)研的階段也可以通過對表征手段原理的學(xué)習(xí)加深對材料晶體結(jié)構(gòu)的理解。對于本畢業(yè)設(shè)計課題需要用到的幾種表征手段，在學(xué)生研究生階段會深入且廣泛的接觸以及使用，但在本科階段對學(xué)生來講還是比較陌生。盡管如此，指導(dǎo)教師在此可以在學(xué)生結(jié)合書本知識進行自我學(xué)習(xí)的同時，帶領(lǐng)學(xué)生去相關(guān)的分析測試機構(gòu)進行參觀學(xué)習(xí)，使學(xué)生在開題階段即對需要使用的分析測試手段有一個比較直觀的理解，這對開題報告研究方案的可行性撰寫、研究內(nèi)容的充實將會很有幫助。

四、研究內(nèi)容的細化

在畢業(yè)設(shè)計開題階段，尤其是在開題報告撰寫過程當(dāng)中，研究內(nèi)容的細化這一部分尤其重要。一方面，它反映了學(xué)生在開題階段對研究課題研究目標(biāo)、研究方法的理解。另一方面，也直接影響著學(xué)生下一步具體的工作計劃以及實施中具體遇到的問題。對于沒有經(jīng)過系統(tǒng)科學(xué)研究訓(xùn)練的本科生，對研究目標(biāo)、研究方法的理解有可能比較片面，所以擬定的研究內(nèi)容有可能比較膚淺且導(dǎo)致很容易得到預(yù)期結(jié)果，同時又有可能不切實際導(dǎo)致研究無法進行下去。不管如何，這都能反映了學(xué)生在開題階段對研究課題的理解。

所以，作為大學(xué)本科教學(xué)工作的最后一個環(huán)節(jié)，本科畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的順利進行尤其需要指導(dǎo)老師有效的引導(dǎo)。通過有效引導(dǎo)，學(xué)生可以很快進入一個比較陌生甚至從沒有接觸過的研究領(lǐng)域，同時積極的進行自主學(xué)習(xí)，進而能夠完成一份合格的開題報告。