聚焦离子束系统虚拟仿真实验项目的建设与教学

张朋波，张映辉，付 姚，陈宝玖，刘开颖，刘 伟，殷 燕，李香萍，夏文文，邢明铭，盛德元，张秋红，薛晓红

(大连海事大学 理学院，辽宁 大连 116026)

物理实验是现代技术和科学实验的先驱，在现代技术发展中一直起着独特的先导作用。物理实验课程是高等学校理工科类对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端[1-4]。目前，聚焦离子束系统是一种高精度微纳加工仪器，因具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，已广泛用于物理学、电子学、材料科学、半导体、电子科学与技术、生物医学等相关学科领域[5-7]。但聚焦离子束系统实验设备技术精密、造价昂贵，运行成本高，操作难度大，几乎无法直接应用本科教学实验。随着信息技术和互联网技术的发展，虚拟仿真实验为许多很难开展且重要的基础性、专业性的实验项目提供了很好地补充[8-10]。聚焦离子束系统仿真实验本着“能实不虚”的原则，可以解决各院校因缺乏或没有实验设备而不能开展聚焦离子束系统实验的现实问题。本项目利用计算机3D仿真技术设计了聚焦离子束系统虚拟仿真实验平台，能够开展样品制备和装载、扫描电子显微镜观测、离子束刻蚀和沉积、图像采集和处理等系列实验项目的规模化教学。该仿真实验场景和过程真实、可操作性强，能够让学生模拟聚焦离子束刻蚀和沉积以及实时观测样品等实验过程，进一步理解其工作原理和技术特性。

1 实验项目的基本情况

1.1 实验目的

(1)理解聚焦离子束系统的基本结构和工作原理；

(2)理解电子束与固体样品作用产生的信号在测试分析中的作用；

(3)熟悉扫描电镜的参数设置、操作流程，观测和分析；

(4)熟悉离子束刻蚀和沉积的技术特性。

1.2 实验仪器设备

计算机，聚焦离子束系统虚拟仿真实验软件，具体包括：聚焦离子束系统、控制系统软件、真空系统、手动操作盘和工具箱。

1.3 实验教学方法

聚焦离子束系统实验采用学生自主学习和教师指导答疑相结合的教学模式。虚拟仿真实验平台提供在线演示视频、实验原理、实验内容及相关要求的介绍。学生进入聚焦离子束系统实验的虚拟环境后，通过预习内容和系统提示，独立完成实验操作和观测。学生可反复进入实验操作，理解实验原理、体验实验过程，完成样品制备和装载、扫描电镜观测和离子束刻蚀沉积等实验内容。虚拟仿真实验平台能够反馈学生的学习时长，进行大数据统计分析。同时，通过实验平台的交互讨论、教师答疑，对学生疑问进行解答。具体的教学方法如下：

(1)引导教学。教师提出实验内容和要求，学生自主学习，教师指导答疑，引导学生进入实验场景，完成相关实验任务，提升学生分析问题和解决问题的能力。以扫描电镜观测样品实验为例，实验内容是观测不同放大倍数下的样品图像，要求学生保存4个指定放大倍数的样品图像，其中两个放大倍数需要通过手动操作盘来调节完成。以离子束沉积实验为例，选择给沉积物质加热时需要先暂停离子束窗口并关闭离子束，加热完成后将沉积物质释放出来，然后再打开离子束，点击沉积按钮，最后点击扫描窗口，观测沉积结果。实验过程中学生经常遇到的问题有：1)忘记暂停离子束窗口和关闭离子束，就去加热沉积物质，结果无法操作和操作无效。2)没有释放加热的沉积物质就去沉积，扫描后发现没有沉积图案。

(2)互动教学。在教师与学生互动环节，教师提出探索性题目，供学生进一步自主探索研究。例如，探索性题目1,针对电镜观测样品实验，提出如何观测样品指定坐标位置区域的表面形貌，具体参数为x=2.0 mm,y=1.0 mm，让学生去尝试。探索性题目2，针对离子束刻蚀实验，提出如何用更大的放大倍数去观测指定区域的刻蚀效果是否精准，能否满足预设要求。通过学生自主探索研究，激发学生的探索精神。

1.4 实验方法和操作步骤要求

1.4.1 实验方法

(1)实现了分段模拟实验。该仿真实验将真实实验中涉及的主要实验内容模块化建模，提供了运用聚焦离子束系统进行相关科学实验的模拟步骤和实际景象，能实现样品制备、扫描电镜观测、离子束刻蚀沉积等实验功能的分段模拟实验和自学。

(2)实验参数设计灵活合理。例如：在刻蚀和沉积功能模块，可以设置不同的刻蚀或沉积区域、形状和深度；刻蚀和沉积有多种物质可选。在电镜高分辨率扫描模块，可以输入不同的电压和电流参数，扫描比例展示真实。

1.4.2 学生交互性操作步骤

首先进入实验场景主窗体，检查各项实验项目仪器，如图1所示。

(1)制备样品

①打开工具箱，取出样品托和样品支架，并用螺丝刀固定；

②点击导电胶，粘贴到样品托支架上；

③将样品放到样品支架上，用导电胶粘贴到样品上面，完成样品制备。

(2)装载样品和抽真空

①在中间显示屏上打开控制系统软件，点击Vent按钮，给样品室充入氮气，待气压达到常压时打开样品腔；

②将样品放到样品腔的样品台上，点击“固定样品”按钮，用螺丝刀固定；

③抽真空，点击真空控制栏中的pump，开始抽气，控制栏中右下方有样品腔内压强变化的显示框，直到样品腔内真空度达到实验要求。

(3)扫描电子显微镜观测样品

①在控制栏中选择电子束扫描，点击“Beam ON”按钮打开电子束，按钮会变成黄色，然后在控制栏中点击Pause按钮，激活电子束扫描窗口，开始扫描；

②根据样品材料特性选择合适的电流和电压，如Cu样品，电压为10 kV、电流为100 pA；

③调节亮度、对比度和自动聚焦按钮，将扫描到的图像调节清晰；

④点击菜单栏中的“Link”图标，同步样品台的高度参数，在控制栏中设置样品台高度Z为4 mm，点击goto；

⑤通过手动调节放大倍率旋钮，按上述步骤重新将扫描图像调整清晰，保存扫描图像照片。

(4)离子束刻蚀

①选择离子束扫描，点击“Beam On”按钮开启离子束，将样品台高度Z调为4 mm，点击goto；将样品台倾斜角度T调为52°，点击goto；

②选择离子束参数(如电压30 kV电流800 pA)，在扫描图像中找准刻蚀位置，暂停离子束扫描窗口，选择刻蚀的形状，如矩形、圆形和线形，设置尺寸大小等参数；

③启动扫描窗口，点击刻蚀按钮开始刻蚀，刻蚀完成后，点击Delete键，删除刻蚀形状；

④观测刻蚀图像，可以局部放大观测，满足要求后保存刻蚀图案。完成实验后，关闭离子束，将样品台倾斜角度T调回水平，高度Z调回0。

(5)离子束沉积

①点击“Beam On”按钮开启离子束，将样品台高度调为4 mm，样品台角度T调至52°，找准沉积位置，暂停离子束扫描窗口；

②设置沉积形状和尺寸等参数，根据样品材料选择沉积物质，如Wdep，在控制栏中找个所选沉积物质；

③右击点击“Warm”按钮开始加热，然后打开加热气体，待样品室压强不变表示气体释放完成；

④开启离子束，点击沉积按钮，进行诱导沉积；

⑤沉积后，打开扫描窗口，快速扫一帧，观测样品沉积是否满足要求，满足要求后，观察保存沉积图案。完成实验后，关闭气体和离子束，将样品台倾斜角度T调回水平，高度Z调回0。

图1 聚焦离子束系统虚拟仿真实验：场景和窗口、电镜观测样品、离子束刻蚀和沉积图案

2 实验项目的开展条件和网络情况

该实验可以通过国家级虚拟仿真实验项目平台“实验空间”访问，实验空间网址：www.ilab-x.com。用户只需一台电脑并连接网络，注册登录后，按提示便可进行实验，最后完成实验报告并提交系统。

3 实验教学项目的特色

3.1 实验方案设计思路

该虚拟仿真实验从学习者的一般实验能力(经验)和认知过程(能力)出发，将聚焦离子束系统所具备的样品制备、扫描电子显微镜观测和离子束刻蚀沉积三大功能，以及相应的实验过程(步骤)、实验景象和结果一一展示给学习者，旨在帮助他们熟悉运用聚焦离子束系统的操作流程和注意事项，帮助他们了解相关实验的真实景象，为真实实验做准备，或以虚代实略过真实实验。并进而加深对离子束或电子束与物质相互作用理论的理解，加深对电子扫描显微镜观测技术、离子束刻蚀沉积技术的学习和理解。聚焦离子束系统实验主要包括五个内容：

(1)样品装载，抽真空。掌握装载和抽真空的方法和操作流程。

(2)样品制备。掌握制备的操作流程和注意事项。

(3)扫描电子显微镜观测样品、参数设置、图像调整和处理。理解电子束与固体样品作用机理以及其产生的信号在测试分析中的作用，掌握扫描电子显微镜观测样品的实验方法、技巧和操作规程，研究电子束束流大小、图像放大倍数等参数对观测图像的影响规律，扫描电子显微镜观测的技术特性。

(4)离子束刻蚀、参数设置，图像调整和处理。理解离子束与固体样品作用机理、聚焦离子束系统的基本结构和工作原理，掌握离子束束流、刻蚀形状尺寸等参数的设置技巧，研究离子束刻蚀的技术特性。

(5)离子束沉积，沉积图像调整与分析。理解离子束诱导沉积的工作原理，掌握离子束束流、沉积形状尺寸、沉积物质等参数的设置，研究离子束束流大小对刻蚀图案的影响规律、离子束刻蚀的技术特性。

3.2 教学方法创新

教学方式采用开放选做模式。本虚拟仿真实验设计立足于本科教学，将科研设备融入到本科教学中，体现了以学生为中心的教学理念。学生可以在具有一定自由度的情况下主导实验过程，增强学生对知识的获取兴趣和能力，有计划地培养学生的自学能力。在整个实验过程中结合指导教师的引导，教学引导视频和实验步骤，可以极大地启发学生创新意识；通过实验参数设置的合理性要求，培养学生发现问题、解决问题的能力，激发学生探索和求知的欲望。

学生在本科学习阶段能够接触、了解高端科研的过程，理解电镜和离子束刻蚀沉积的工作原理，有助于学生以后的读研深造或日后从事相关的工作。此外，平台开设了网上论坛，具有实验过程实时评价功能，对参加实验学生各方面的建议、评价与反馈信息，进行系统的统计分析，为实验内容的改进和平台功能的完善提供参考，不断优化，实现了学生与教师间的良好互动。

本虚拟仿真实验项目即是对传统教学方式的突破，又是对传统教学方式的有效补充，能够实现量大面广的实验教学。

3.3 对传统教学的延伸与拓展

本虚拟仿真实验取材于真实实验，提供了运用聚焦离子束系统进行相关科学实验的过程和实际景象，能实现样品制备和装载、电镜观测、刻蚀和沉积等各个实验功能的分段模拟教学和自学。满足不同层次人员的学习需求。

本虚拟仿真实验项目教学相对传统教学具有如下明显优势：1)能够实现在无真实设备的工科院校开展聚焦离子束实验。2)可使高额成本运行的实验实现多人同时在线运行操作，解决了单个实验设备无法进行普及教学的难题。3)在仿真实验中可反复练习，极大降低了实验成本，训练学生的科学实验素养。4)能够解决无法系统了解聚焦离子束系统实验的难题，培养创新人才。

3.4 考核要求与评价

学生能按照仿真平台资源中的实验操作步骤和教学引导视频，在虚拟实验场景中独立完成相关实验内容、记录相关实验数据和实验现象，保存图像和数据分析，给出扫描电镜观测、离子束刻蚀和沉积的参数和结果图像，在此基础上完成实验报告并提交系统。仿真实验平台将从实验预习、实验操作过程、实验结果、实验报告四方面考核和评价学生的学习成绩。实验报告总分100分，具体考核比例：实验预习(15%)、实验操作(40%)、实验结果(15%)和实验报告(30%)。在虚拟实验软件后台，将自动记录学生的操作情况，并根据系统预设参考数据评定实验是结果，自动给出考核结果，按得分情况确定“优秀、达标(合格)，不达标”3个档次，如图2所示，“实验空间”网站中本实验项目使用情况和访问的大数据[11]。

图2 聚焦离子束系统虚拟仿真实验项目实验情况统计数据

4 实验项目的应用与教学效果

聚焦离子束系统虚拟仿真实验在设计和制作完成后，便投入到我校大学物理实验课程教学中。目前，该虚拟仿真实验教学项目已纳入我校《大学物理实验》课程教学计划，并面向应用物理学、材料、电子信息工程、光电信息科学与工程和电子信息科学与技术等33个本科专业开放教学，受到了广大师生的好评，是学生抢先选择的实验项目。本实验项目已通过“实验空间”网站向学校及社会开放访问及使用[12]，如图2所示，本实验项目浏览量达到了47 887人次，做实验人数达到了3 129人，其中优秀2 598人，取得了很好的推广应用效果。特别是2020年肺炎疫情期间，在无法开展线下实验教学的情况下，该仿真实验能够远程线上进行，成为大学物理实验课程开展线在实验教学的首选项目之一。计算机3D仿真技术让学生在虚拟场景中完成聚焦离子束系统实验，了解聚焦离子束的工作原理，让学生体会到模拟制备样品、电镜观测、离子束刻蚀和沉积，图像处理的乐趣，拓展了学生的视野，取得了良好的教学效果。

聚焦离子束系统虚拟仿真实验已获评国家级虚拟仿真实验教学一流课程，面向全校及社会开放，为师生自主学习、开拓视野提供学习平台。目前，该仿真实验已经推广到一些院校的实验教学中，并在持续推广中。该实验项目一直在不断改进中，不断扩展实验功能，完善仿真教学资源，升级虚拟仿真管理和运行平台，力争成为大多工科院校中“大学物理实验”课程的一个实验项目。