加强大型仪器开放促进学生创新研究——以扫描电子显微镜/聚焦离子束刻蚀双束系统为例

2015-12-23李洪云褚赛赛

物理通报 2015年7期

李洪云　褚赛赛　李焱

加强大型仪器开放促进学生创新研究
——以扫描电子显微镜/聚焦离子束刻蚀双束系统为例

李洪云褚赛赛李焱

摘要：探讨了高校大型仪器设备面向本科生、研究生等开放使用的可行性及重要意义，并以电子束扫描/聚焦离子束刻蚀双束系统为例，阐述了扩大仪器设备对学生开放程度，既能充分发挥仪器设备在科研教学中的作用，又能培养学生实践创新能力，推动高校培养高水平综合型学生的目标．

关键词：大型仪器开放学生创新

大型仪器是高校从事教学、科研的重要保障条件，也是衡量一所学校实验条件和科研环境的重要标志[1]，在高校的实验教学和科学研究中起着极其重要的作用.大型仪器是高校十分宝贵的办学资源，也是高校培养高素质人才、提升科学研究水平，参与社会产业服务的必要基础．随着国家对高等教育的大力投入，在“985”工程和“211”工程的资助下，以及国家实验室、国家重点实验室、国家工程研究中心等国家级研究平台的发展建设中，我国高校的科研条件已有大幅提升，尤其是国际先进水平的大型仪器设备的数量和种类，与以往相比有了显著的增加，部分实验室硬件科研条件已经接近或达到世界先进水平．以北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室为例，目前已配置了超高分辨率扫描电镜/聚焦离子束刻蚀系统、离子电子动量成像谱仪、多功能超高分辨电子束刻蚀系统，高温金属有机化合物气相外延系统、脉冲激光/磁控溅射双模式薄膜沉积系统等多台大型先进仪器设备，这些仪器设备的技术指标普遍接近或达到了当前世界先进水平．随着大型仪器数量的增加和性能的提高，如何更有效地发挥大型仪器的功能，更好地为教学和科研服务，提高其使用率和经济效益是极有必要和有意义的，也是值得高校实验工作者不断思考和探索的问题．

1大型仪器设备开放提供学生创新条件

高校最核心的工作是人才培养.2012年教育部在《关于全面提高高等教育质量的若干意见》中明确表示：探索拔尖创新人才培养模式．与国外教育发达国家相比，我国在创新性人才培养方面还有很大的差距．美国是科技教育发达国家，拥有一大批世界一流大学，其学生培养模式尤其是研究生培养模式为本国甚至全世界培养了大量的优秀人才．美国研究生教育以培养学生的研究创新能力为核心，教学方式富有启发性，教师注重引导学生积极主动地思考，开展讨论，让学生主动投入到学习中去．美国研究生毕业的首要要求是能对研究领域的知识作出新的贡献，必须有创新性的成果[2]．相比而言，我国研究生教育的一个主要问题就是研究生创新能力不强．受传统教育的影响，许多研究生缺乏创新思维能力，习惯于接受和掌握现成的知识．在进行论文和研究方案设计时，研究生很少或根本没有自己的独到见解和创新点，在开展实验研究过程中，对实验仪器的掌握程度比较肤浅，动手能力不强．随着我国国家创新体系的提出及科研仪器水平的提升，充分利用高校大型仪器设备的丰富资源，促进创新型人才的培养，成为培养高校学生的一个极佳途径．

大型仪器具有技术先进、价格昂贵、维护成本高等特点．通常的观点认为：学生实验经验较少，对待仪器的责任心不够强，独立操作仪器容易造成仪器损坏，带来较大的经济损失.因此贵重的大型仪器不适于向学生尤其是低年级学生开放使用，通常都是由专业的仪器管理人员来进行操作．很多实验室大型仪器使用模式为：学生提出要求——管理人员制备加工——交付完成样品．有实验需求的学生将样品和设计方案告诉仪器管理人员，由专业仪器管理人员操作设备并对样品进行制备.学生拿到加工后的样品再进行后续的简单测量等其他科研工作．这种使用模式的确可以较好地确保大型仪器的安全和正常运行．同时，由于专业人员操作熟练，经验丰富，大型仪器工作效率也很高．

但是随着科学发展的不断深入，研究水平的不断提高，这一仪器使用模式的弊端也逐渐显现．一方面，前沿科学研究对样品制备、加工和测量的精确度要求越来越高．随着微米/纳米尺度科学日新月异地发展，人们发现，样品加工制备过程中很小的差别就可能导致完全不同的实验结果.寻找符合实验要求的参数是需要在实验过程中不断摸索才能获得，流水线式的样品加工模式已经无法满足现在的科研发展；另一方面，学生对于样品加工制备过程不清楚，缺乏培养亲自动手能力的机会，在整个科研工作中对于遇到的一些难题和疑惑就无法进行全面深入地思考．学生无法独立操作大型仪器，既阻碍了大型仪器充分发挥其使用价值，也在一定程度上限制了科学研究的进展．

事实上，随着科学技术的发展，很多大型仪器设备已经具备了扩大开放使用的条件.培养学生亲自操作大型仪器的动手能力，也成为高校提高学生创新性，发展国际一流科学研究的一个趋势．当前新形势对高校学生创新能力和实践能力的要求越来越高，而实验室则是培养学生开拓创新能力和提高实践能力的重要基地．实验室必须充分挖掘现有的各项潜力，积极创造条件向学生开放．北京大学人工微结构和介观物理国家实验室是我国物理领域人才培养和科学研究的重要基地，在国家和依托单位的支持下，经过二十几年的建设和发展，已经配备了一批先进的大型仪器，同时也在不断探索充分利用大型仪器资源，面向本科生、研究生等全面开放使用的意义和价值．以扫描电子显微镜/聚焦离子束刻蚀双束系统为例，我们多年的仪器开放使用经验验证了大型仪器面向学生开放，培养学生创新能力的可行性．

2仪器高度集成自动化具备开放可行性

随着小尺度精密测量技术和介观物理实验研究的进一步发展，不仅需要纳米级的加工精度，而且需要在位实时观察，目前最有效的手段为聚焦离子束(FIB) 和扫描电子显微镜(SEM)结合的双束系统．这种系统将超高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)和精确的聚焦离子束(FIB)刻蚀和材料沉积结合起来，能够在纳米尺度进行多种介观体系原型制作、加工、两维/三维表征和分析．双束系统可以对纳米半导体与光电子器件、低维纳米结构与器件、宽禁带半导体材料与器件、光子晶体和表面等离激元等介观体系的制备与研究提供先进的研究平台．北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室于2010年启动购置扫描电镜和聚焦离子束双束系统，并最终选定美国FEI公司HeliosNanoLab扫描电子显微镜(SEM)/聚焦离子束(FIB)刻蚀双束系统(以下简称：SEM/FIB双束系统)．HeliosNanoLab是目前最强大的场发射扫描(FESEM)+聚焦离子束(FIB)双束显微镜系统, 配备了新一代TLD二次电子/背散射电子探测器，样品室红外CCD，以及可选CDEM离子探测器、STEM和固体背散射探测器等．在最适佳工作距离下，加速电压为15KV时，电子束扫描分辨率可以达到0.9nm，同时具有出色的成像质量和系统稳定性．可以制备最薄的样品，实现非常低的样品损伤，加工速度快．实验室所购置的SEM/FIB双束系统不仅可以实现对各类物质的直接加工，如材料刻蚀，金属Pt沉积，非金属SiO2沉积，以形成各种微纳米级结构，还可以实现对加工过程进行观察和结果表征[3]．HeliosNanoLab与早期系列相比，操作变得更加轻松．

大型仪器面向学生开放，首先得益于其操作使用的简便和性能的稳定．随着科学技术的发展，尤其是计算机技术等的日新月异变化，大型仪器的自动化程度、集成化程度、精确化程度越来越高，无论从仪器的维护还是操作，都为使用者提供了便利，这一点也是目前很多大型仪器的共同特点．SEM/FIB双束系统配备的软件具有非常友好的操作界面，各项功能选项图示清楚，简洁易懂，大部分调节和操作都通过电脑控制，利用鼠标、键盘和控制台就可以实现．仪器装配了改进的xT软件平台，对于没有操作经验的人员来说，仅需要熟悉SEM/FIB双束系统基本组成和工作原理，能够了解仪器部件的健全性和操作所需的界面接口，就可以完成简单的电子显微镜成像、聚焦离子束常规微纳结构加工、Pt沉积等实验任务，很好地实现了面向学生开放的易用需求；创新的Elstar电子镜筒具有卓越的高分辨率成像性能，可实现更高热量稳定性的恒定功率透镜，可实现更高探测线性和速度的静电扫描以及可实现各种条件下超清晰成像，对于使用者来说，通过简单的调节步骤，就可以很短时间内获得非常清晰的电子扫描图像，大大提高了实验速度和质量；健全、精确的FIB切片以及150×150mm高度精确稳定的压力驱动样品台和卓越的电子束扫描性能开启全新一代自动软件的大门，可在无专业人员值守的情况下实现样品制备或三维特征分析．

3专业技术人员管理保障安全开放

科技的飞速进步实现了大型仪器操作和使用的简便，为大型仪器更广泛地开放提供了前提条件，而大型仪器设备配备专业人员操作维护，并对使用者提供培训考核服务，也是必不可少的一个要素．一个稳定、敬业、高水平的实验技术人员队伍，是设备得到良好保养，维护、开放、共享，充分发挥其功能的重要保障．贵重仪器设备技术含量高，需有高水平的管理和操作人员配合才能充分发挥作用[4]．实验室需要不断提高实验技术人员的技术水平和操作能力，让设备随时都处于正常状态，使用户感觉使用方便，数据可靠．其次是建立严格的培训制度，对于缺乏实验经验的学生，尤其是低年级学生来说，直接操作大型仪器仍然会对仪器安全造成很大的风险，容易造成仪器设备的损坏或故障．只有专业仪器管理人员为学生提供严格的培训，学生经考核合格并取得合格证后，才具备上机操作的资格，这样既保证了大型仪器的开放使用，又保障了大型仪器的安全运行．北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室SEM/FIB双束系统配有专业工程师管理，从仪器开放最初，就实行工程师培训学生，学生独立实验的模式．在学生培训过程中，我们还实行了导师推荐制——参加培训的学生须由导师推荐报名，一方面保证参加培训的学生都是科研工作中对仪器使用有需求，另一方面发挥导师的监督作用，督促学生能够认真完成培训课程，顺利通过考核，最终达到独立上机操作的目的．在培训过程中既包括集中授课，也包括上机操作训练，在工程师陪同下学生可以操作练习仪器培训内容，做到理论实践相结合，更快掌握仪器使用要领．通过考核的学生，独立操作SEM/FIB双束系统，充分发挥了主动性和创造性，结合自己的研究课题做出了非常好的实验结果，在国内外学术期刊发表了大量的论文．

除去仪器自身具备的可开放性，真正落实加强大型仪器开放，促进学生创新研究还需要高校管理及学生工作等各方面的支持．高校应大力促进学生参与科研实验，尤其是低年级研究生和本科生，扩大高校大型仪器设备在教学科研方面的服务对象．大型仪器具体服务内容既涵盖实验教学和研究生科研，也涵盖本科生毕业论文及本科生科研等．我们应该使得高校大型仪器的作用不仅限于保障教学的顺利进行，更应该在促进学生的动手能力、科研能力及综合素质的提高方面起到积极的作用．

参考文献

1刘雁红，崔永岩，胡煜，张叔正，张炜.发挥大型仪器设备在教学科研中作用的研究.中国轻工教育,2009(增刊): 115

2孙希.美国博士研究生培养模式探析及启示.高校教育管理,2007,1(2):48

3彭开武.FIB/SEM双束系统在微纳加工与表征中的应用.中国材料进展,2013,32(12)：728

4万长建.高校大型仪器设备开放共享机制的建立与措施.实验技术与管理,2008,25(7)：276