李洪云　褚賽賽　李 焱

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加強(qiáng)大型儀器開(kāi)放促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新研究
——以掃描電子顯微鏡/聚焦離子束刻蝕雙束系統(tǒng)為例

李洪云褚賽賽李 焱

摘 要：探討了高校大型儀器設(shè)備面向本科生、研究生等開(kāi)放使用的可行性及重要意義，并以電子束掃描/聚焦離子束刻蝕雙束系統(tǒng)為例，闡述了擴(kuò)大儀器設(shè)備對(duì)學(xué)生開(kāi)放程度，既能充分發(fā)揮儀器設(shè)備在科研教學(xué)中的作用，又能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，推動(dòng)高校培養(yǎng)高水平綜合型學(xué)生的目標(biāo)．

關(guān)鍵詞：大型儀器開(kāi)放學(xué)生創(chuàng)新

大型儀器是高校從事教學(xué)、科研的重要保障條件，也是衡量一所學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件和科研環(huán)境的重要標(biāo)志[1]，在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究中起著極其重要的作用.大型儀器是高校十分寶貴的辦學(xué)資源，也是高校培養(yǎng)高素質(zhì)人才、提升科學(xué)研究水平，參與社會(huì)產(chǎn)業(yè)服務(wù)的必要基礎(chǔ)．隨著國(guó)家對(duì)高等教育的大力投入，在“985”工程和“211”工程的資助下，以及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程研究中心等國(guó)家級(jí)研究平臺(tái)的發(fā)展建設(shè)中，我國(guó)高校的科研條件已有大幅提升，尤其是國(guó)際先進(jìn)水平的大型儀器設(shè)備的數(shù)量和種類(lèi)，與以往相比有了顯著的增加，部分實(shí)驗(yàn)室硬件科研條件已經(jīng)接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平．以北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為例，目前已配置了超高分辨率掃描電鏡/聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)、離子電子動(dòng)量成像譜儀、多功能超高分辨電子束刻蝕系統(tǒng)，高溫金屬有機(jī)化合物氣相外延系統(tǒng)、脈沖激光/磁控濺射雙模式薄膜沉積系統(tǒng)等多臺(tái)大型先進(jìn)儀器設(shè)備，這些儀器設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)普遍接近或達(dá)到了當(dāng)前世界先進(jìn)水平．隨著大型儀器數(shù)量的增加和性能的提高，如何更有效地發(fā)揮大型儀器的功能，更好地為教學(xué)和科研服務(wù)，提高其使用率和經(jīng)濟(jì)效益是極有必要和有意義的，也是值得高校實(shí)驗(yàn)工作者不斷思考和探索的問(wèn)題．

1大型儀器設(shè)備開(kāi)放提供學(xué)生創(chuàng)新條件

高校最核心的工作是人才培養(yǎng).2012年教育部在《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中明確表示：探索拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式．與國(guó)外教育發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方面還有很大的差距．美國(guó)是科技教育發(fā)達(dá)國(guó)家，擁有一大批世界一流大學(xué)，其學(xué)生培養(yǎng)模式尤其是研究生培養(yǎng)模式為本國(guó)甚至全世界培養(yǎng)了大量的優(yōu)秀人才．美國(guó)研究生教育以培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力為核心，教學(xué)方式富有啟發(fā)性，教師注重引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地思考，開(kāi)展討論，讓學(xué)生主動(dòng)投入到學(xué)習(xí)中去．美國(guó)研究生畢業(yè)的首要要求是能對(duì)研究領(lǐng)域的知識(shí)作出新的貢獻(xiàn)，必須有創(chuàng)新性的成果[2]．相比而言，我國(guó)研究生教育的一個(gè)主要問(wèn)題就是研究生創(chuàng)新能力不強(qiáng)．受傳統(tǒng)教育的影響，許多研究生缺乏創(chuàng)新思維能力，習(xí)慣于接受和掌握現(xiàn)成的知識(shí)．在進(jìn)行論文和研究方案設(shè)計(jì)時(shí)，研究生很少或根本沒(méi)有自己的獨(dú)到見(jiàn)解和創(chuàng)新點(diǎn)，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的掌握程度比較膚淺，動(dòng)手能力不強(qiáng)．隨著我國(guó)國(guó)家創(chuàng)新體系的提出及科研儀器水平的提升，充分利用高校大型儀器設(shè)備的豐富資源，促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，成為培養(yǎng)高校學(xué)生的一個(gè)極佳途徑．

大型儀器具有技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高等特點(diǎn)．通常的觀點(diǎn)認(rèn)為：學(xué)生實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)待儀器的責(zé)任心不夠強(qiáng)，獨(dú)立操作儀器容易造成儀器損壞，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失.因此貴重的大型儀器不適于向?qū)W生尤其是低年級(jí)學(xué)生開(kāi)放使用，通常都是由專(zhuān)業(yè)的儀器管理人員來(lái)進(jìn)行操作．很多實(shí)驗(yàn)室大型儀器使用模式為：學(xué)生提出要求——管理人員制備加工——交付完成樣品．有實(shí)驗(yàn)需求的學(xué)生將樣品和設(shè)計(jì)方案告訴儀器管理人員，由專(zhuān)業(yè)儀器管理人員操作設(shè)備并對(duì)樣品進(jìn)行制備.學(xué)生拿到加工后的樣品再進(jìn)行后續(xù)的簡(jiǎn)單測(cè)量等其他科研工作．這種使用模式的確可以較好地確保大型儀器的安全和正常運(yùn)行．同時(shí)，由于專(zhuān)業(yè)人員操作熟練，經(jīng)驗(yàn)豐富，大型儀器工作效率也很高．

但是隨著科學(xué)發(fā)展的不斷深入，研究水平的不斷提高，這一儀器使用模式的弊端也逐漸顯現(xiàn)．一方面，前沿科學(xué)研究對(duì)樣品制備、加工和測(cè)量的精確度要求越來(lái)越高．隨著微米/納米尺度科學(xué)日新月異地發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，樣品加工制備過(guò)程中很小的差別就可能導(dǎo)致完全不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.尋找符合實(shí)驗(yàn)要求的參數(shù)是需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷摸索才能獲得，流水線式的樣品加工模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在的科研發(fā)展；另一方面，學(xué)生對(duì)于樣品加工制備過(guò)程不清楚，缺乏培養(yǎng)親自動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)，在整個(gè)科研工作中對(duì)于遇到的一些難題和疑惑就無(wú)法進(jìn)行全面深入地思考．學(xué)生無(wú)法獨(dú)立操作大型儀器，既阻礙了大型儀器充分發(fā)揮其使用價(jià)值，也在一定程度上限制了科學(xué)研究的進(jìn)展．

事實(shí)上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多大型儀器設(shè)備已經(jīng)具備了擴(kuò)大開(kāi)放使用的條件.培養(yǎng)學(xué)生親自操作大型儀器的動(dòng)手能力，也成為高校提高學(xué)生創(chuàng)新性，發(fā)展國(guó)際一流科學(xué)研究的一個(gè)趨勢(shì)．當(dāng)前新形勢(shì)對(duì)高校學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的要求越來(lái)越高，而實(shí)驗(yàn)室則是培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)拓創(chuàng)新能力和提高實(shí)踐能力的重要基地．實(shí)驗(yàn)室必須充分挖掘現(xiàn)有的各項(xiàng)潛力，積極創(chuàng)造條件向?qū)W生開(kāi)放．北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)物理領(lǐng)域人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的重要基地，在國(guó)家和依托單位的支持下，經(jīng)過(guò)二十幾年的建設(shè)和發(fā)展，已經(jīng)配備了一批先進(jìn)的大型儀器，同時(shí)也在不斷探索充分利用大型儀器資源，面向本科生、研究生等全面開(kāi)放使用的意義和價(jià)值．以掃描電子顯微鏡/聚焦離子束刻蝕雙束系統(tǒng)為例，我們多年的儀器開(kāi)放使用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了大型儀器面向?qū)W生開(kāi)放，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的可行性．

2儀器高度集成自動(dòng)化具備開(kāi)放可行性

隨著小尺度精密測(cè)量技術(shù)和介觀物理實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)一步發(fā)展，不僅需要納米級(jí)的加工精度，而且需要在位實(shí)時(shí)觀察，目前最有效的手段為聚焦離子束(FIB) 和掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)合的雙束系統(tǒng)．這種系統(tǒng)將超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和精確的聚焦離子束(FIB)刻蝕和材料沉積結(jié)合起來(lái)，能夠在納米尺度進(jìn)行多種介觀體系原型制作、加工、兩維/三維表征和分析．雙束系統(tǒng)可以對(duì)納米半導(dǎo)體與光電子器件、低維納米結(jié)構(gòu)與器件、寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件、光子晶體和表面等離激元等介觀體系的制備與研究提供先進(jìn)的研究平臺(tái)．北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2010年啟動(dòng)購(gòu)置掃描電鏡和聚焦離子束雙束系統(tǒng)，并最終選定美國(guó)FEI公司HeliosNanoLab掃描電子顯微鏡(SEM)/聚焦離子束(FIB)刻蝕雙束系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：SEM/FIB雙束系統(tǒng))．HeliosNanoLab是目前最強(qiáng)大的場(chǎng)發(fā)射掃描(FESEM)+聚焦離子束(FIB)雙束顯微鏡系統(tǒng), 配備了新一代TLD二次電子/背散射電子探測(cè)器，樣品室紅外CCD，以及可選CDEM離子探測(cè)器、STEM和固體背散射探測(cè)器等．在最適佳工作距離下，加速電壓為15KV時(shí)，電子束掃描分辨率可以達(dá)到0.9nm，同時(shí)具有出色的成像質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性．可以制備最薄的樣品，實(shí)現(xiàn)非常低的樣品損傷，加工速度快．實(shí)驗(yàn)室所購(gòu)置的SEM/FIB雙束系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)物質(zhì)的直接加工，如材料刻蝕，金屬Pt沉積，非金屬SiO2沉積，以形成各種微納米級(jí)結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行觀察和結(jié)果表征[3]．HeliosNanoLab與早期系列相比，操作變得更加輕松．

大型儀器面向?qū)W生開(kāi)放，首先得益于其操作使用的簡(jiǎn)便和性能的穩(wěn)定．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)等的日新月異變化，大型儀器的自動(dòng)化程度、集成化程度、精確化程度越來(lái)越高，無(wú)論從儀器的維護(hù)還是操作，都為使用者提供了便利，這一點(diǎn)也是目前很多大型儀器的共同特點(diǎn)．SEM/FIB雙束系統(tǒng)配備的軟件具有非常友好的操作界面，各項(xiàng)功能選項(xiàng)圖示清楚，簡(jiǎn)潔易懂，大部分調(diào)節(jié)和操作都通過(guò)電腦控制，利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和控制臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)．儀器裝配了改進(jìn)的xT軟件平臺(tái)，對(duì)于沒(méi)有操作經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)說(shuō)，僅需要熟悉SEM/FIB雙束系統(tǒng)基本組成和工作原理，能夠了解儀器部件的健全性和操作所需的界面接口，就可以完成簡(jiǎn)單的電子顯微鏡成像、聚焦離子束常規(guī)微納結(jié)構(gòu)加工、Pt沉積等實(shí)驗(yàn)任務(wù)，很好地實(shí)現(xiàn)了面向?qū)W生開(kāi)放的易用需求；創(chuàng)新的Elstar電子鏡筒具有卓越的高分辨率成像性能，可實(shí)現(xiàn)更高熱量穩(wěn)定性的恒定功率透鏡，可實(shí)現(xiàn)更高探測(cè)線性和速度的靜電掃描以及可實(shí)現(xiàn)各種條件下超清晰成像，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)步驟，就可以很短時(shí)間內(nèi)獲得非常清晰的電子掃描圖像，大大提高了實(shí)驗(yàn)速度和質(zhì)量；健全、精確的FIB切片以及150×150mm高度精確穩(wěn)定的壓力驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)和卓越的電子束掃描性能開(kāi)啟全新一代自動(dòng)軟件的大門(mén)，可在無(wú)專(zhuān)業(yè)人員值守的情況下實(shí)現(xiàn)樣品制備或三維特征分析．

3專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員管理保障安全開(kāi)放

科技的飛速進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了大型儀器操作和使用的簡(jiǎn)便，為大型儀器更廣泛地開(kāi)放提供了前提條件，而大型儀器設(shè)備配備專(zhuān)業(yè)人員操作維護(hù)，并對(duì)使用者提供培訓(xùn)考核服務(wù)，也是必不可少的一個(gè)要素．一個(gè)穩(wěn)定、敬業(yè)、高水平的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員隊(duì)伍，是設(shè)備得到良好保養(yǎng)，維護(hù)、開(kāi)放、共享，充分發(fā)揮其功能的重要保障．貴重儀器設(shè)備技術(shù)含量高，需有高水平的管理和操作人員配合才能充分發(fā)揮作用[4]．實(shí)驗(yàn)室需要不斷提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的技術(shù)水平和操作能力，讓設(shè)備隨時(shí)都處于正常狀態(tài)，使用戶(hù)感覺(jué)使用方便，數(shù)據(jù)可靠．其次是建立嚴(yán)格的培訓(xùn)制度，對(duì)于缺乏實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，尤其是低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，直接操作大型儀器仍然會(huì)對(duì)儀器安全造成很大的風(fēng)險(xiǎn)，容易造成儀器設(shè)備的損壞或故障．只有專(zhuān)業(yè)儀器管理人員為學(xué)生提供嚴(yán)格的培訓(xùn)，學(xué)生經(jīng)考核合格并取得合格證后，才具備上機(jī)操作的資格，這樣既保證了大型儀器的開(kāi)放使用，又保障了大型儀器的安全運(yùn)行．北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SEM/FIB雙束系統(tǒng)配有專(zhuān)業(yè)工程師管理，從儀器開(kāi)放最初，就實(shí)行工程師培訓(xùn)學(xué)生，學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的模式．在學(xué)生培訓(xùn)過(guò)程中，我們還實(shí)行了導(dǎo)師推薦制——參加培訓(xùn)的學(xué)生須由導(dǎo)師推薦報(bào)名，一方面保證參加培訓(xùn)的學(xué)生都是科研工作中對(duì)儀器使用有需求，另一方面發(fā)揮導(dǎo)師的監(jiān)督作用，督促學(xué)生能夠認(rèn)真完成培訓(xùn)課程，順利通過(guò)考核，最終達(dá)到獨(dú)立上機(jī)操作的目的．在培訓(xùn)過(guò)程中既包括集中授課，也包括上機(jī)操作訓(xùn)練，在工程師陪同下學(xué)生可以操作練習(xí)儀器培訓(xùn)內(nèi)容，做到理論實(shí)踐相結(jié)合，更快掌握儀器使用要領(lǐng)．通過(guò)考核的學(xué)生，獨(dú)立操作SEM/FIB雙束系統(tǒng)，充分發(fā)揮了主動(dòng)性和創(chuàng)造性，結(jié)合自己的研究課題做出了非常好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了大量的論文．

除去儀器自身具備的可開(kāi)放性，真正落實(shí)加強(qiáng)大型儀器開(kāi)放，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新研究還需要高校管理及學(xué)生工作等各方面的支持．高校應(yīng)大力促進(jìn)學(xué)生參與科研實(shí)驗(yàn)，尤其是低年級(jí)研究生和本科生，擴(kuò)大高校大型儀器設(shè)備在教學(xué)科研方面的服務(wù)對(duì)象．大型儀器具體服務(wù)內(nèi)容既涵蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生科研，也涵蓋本科生畢業(yè)論文及本科生科研等．我們應(yīng)該使得高校大型儀器的作用不僅限于保障教學(xué)的順利進(jìn)行，更應(yīng)該在促進(jìn)學(xué)生的動(dòng)手能力、科研能力及綜合素質(zhì)的提高方面起到積極的作用．

參 考 文 獻(xiàn)

1劉雁紅，崔永巖，胡煜，張叔正，張煒.發(fā)揮大型儀器設(shè)備在教學(xué)科研中作用的研究.中國(guó)輕工教育,2009(增刊): 115

2孫希.美國(guó)博士研究生培養(yǎng)模式探析及啟示.高校教育管理,2007,1(2):48

3彭開(kāi)武.FIB/SEM雙束系統(tǒng)在微納加工與表征中的應(yīng)用.中國(guó)材料進(jìn)展,2013,32(12)：728

4萬(wàn)長(zhǎng)建.高校大型儀器設(shè)備開(kāi)放共享機(jī)制的建立與措施.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(7)：276

收稿日期：(2015-04-07)

通訊作者：(北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100871)

作者簡(jiǎn)介：李洪云(1981)，女，工程師．主要研究方向是微納結(jié)構(gòu)的表征和加工．