高惠平　田建軍　蔣俊華　毛艷麗

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大學(xué)研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施與探討
——以PECVD技術(shù)制備硅基薄膜為例

高惠平田建軍蔣俊華毛艷麗

摘 要：研究型實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和科學(xué)研究素養(yǎng)的重要教學(xué)內(nèi)容．以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)制備硅基薄膜為例，詳細(xì)介紹了開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方法，分析和討論了此研究型實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力的作用．

關(guān)鍵詞：研究型實(shí)驗(yàn)等離子體化學(xué)氣相沉積硅薄膜

1引言

教育部《關(guān)于開展高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)(訓(xùn))教學(xué)示范中心評(píng)審工作的通知》(教高〔2005〕8號(hào))文件中明確指出“建立新型的適應(yīng)學(xué)生能力培養(yǎng)、鼓勵(lì)探索的多元實(shí)驗(yàn)考核方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，推進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)”．開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐這一方針的重要環(huán)節(jié)和途徑．近年來(lái)，研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容[1～3]．與此同時(shí)，高等院校大型科研儀器設(shè)備如何服務(wù)于本科教學(xué)也日漸受到人們的關(guān)注[4～6]．高等院校的大型儀器設(shè)備除了在科研服務(wù)中發(fā)揮重要作用外，還應(yīng)該在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮舉足輕重的作用，成為人才培養(yǎng)不可缺少的教學(xué)資源．開展基于先進(jìn)大型科研儀器設(shè)備的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸科學(xué)技術(shù)研究的前沿，激發(fā)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)新欲望，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐和開拓創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的基本素養(yǎng)和能力．

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和企業(yè)生產(chǎn)的薄膜制備技術(shù)．PECVD技術(shù)涉及的主要學(xué)科包括凝聚態(tài)物理、物理化學(xué)、等離子體物理、真空技術(shù)、高壓技術(shù)等．大型的PECVD設(shè)備是半導(dǎo)體行業(yè)、太陽(yáng)能電池行業(yè)及超硬材料行業(yè)材料生長(zhǎng)的常用工廠設(shè)備，同時(shí)也是開展薄膜材料研究的常用科研設(shè)備[7～9]．以PECVD技術(shù)的應(yīng)用為主題開設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是此類大型科研設(shè)備更好地服務(wù)于科研和教學(xué)的有效途徑，也將為理工科學(xué)生畢業(yè)后從事科學(xué)研究或企業(yè)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)．

本文以PECVD技術(shù)制備硅基薄膜為例，介紹利用PECVD技術(shù)開展研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方法，探討研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力．

2研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的合理調(diào)配和綜合應(yīng)用能力，還要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的吸納和再創(chuàng)造能力．為此，研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須注意以下幾點(diǎn).

(1)堅(jiān)持以學(xué)生為主體，指導(dǎo)教師合理引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性；

(2)注重對(duì)學(xué)生能力的全面培養(yǎng)，包括學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐技能、研究能力和綜合能力；

(3)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)和科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)[10]．

以PECVD技術(shù)制備硅基薄膜為例，在實(shí)驗(yàn)課理論講解階段，指導(dǎo)教師要向?qū)W生充分展現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容要點(diǎn)和特色，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣．例如，硅基薄膜以其良好的光電特性，廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管和光電傳感器等光電子領(lǐng)域[11，12]，PECVD技術(shù)是沉積硅基薄膜的主要技術(shù)之一．本實(shí)驗(yàn)通過(guò)讓學(xué)生自主參與薄膜樣品制備、材料結(jié)構(gòu)表征和器件性能測(cè)試等環(huán)節(jié)，基本掌握實(shí)施科學(xué)研究應(yīng)具備的科學(xué)方法和技能．此外，該課題的選擇即充分考慮了課題本身的難度和學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平，同時(shí)又允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后期調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行自由探索．下面以PECVD技術(shù)制備本征微晶硅薄膜為例，介紹研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施步驟．

3研究型實(shí)驗(yàn)的步驟

3.1實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

首先，學(xué)生要制定具體的實(shí)驗(yàn)研究方案．在探討具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法的階段，教師要求學(xué)生掌握利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源查詢實(shí)驗(yàn)所需資料的方法，組成小團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的綜合設(shè)計(jì)，最后與教師討論并確立可行的實(shí)驗(yàn)方案．在此過(guò)程中，教師的引導(dǎo)特別重要，教師要引導(dǎo)學(xué)生從研究目的、研究方法及研究技術(shù)等層面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，讓學(xué)生充分體會(huì)到研究型實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的不同．

例如，本實(shí)驗(yàn)中薄膜的生長(zhǎng)需要選擇合適的襯底材料，教師可引導(dǎo)學(xué)生了解不同襯底的特性并根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的襯底，并要求學(xué)生自己調(diào)研并確定不同類型襯底的清洗方法等．在使用PECVD設(shè)備方面，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)機(jī)械泵、分子泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及真空獲取和操作規(guī)范等知識(shí)．在沉積硅薄膜前，要求學(xué)生對(duì)硅薄膜的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)做初步的調(diào)研，了解不同參數(shù)對(duì)硅薄膜結(jié)構(gòu)與光電性能的影響，形成具體的實(shí)驗(yàn)方案．

3.2硅薄膜制備

本實(shí)驗(yàn)采用北京某公司生產(chǎn)的線列式PECVD設(shè)備，制備的硅基薄膜為本征微晶硅薄膜．

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在前期對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和原理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定．在教師指導(dǎo)下，首先打開PECVD循環(huán)水、冷卻水和尾氣處理開關(guān)，然后打開樣品室，裝入樣品，抽真空，系統(tǒng)的本底真空度小于5 ×10-4Pa．系統(tǒng)的饋入電源頻率為13.56 MHz，功率為100 W，功率可調(diào)． 反應(yīng)氣體為硅烷(SiH4) 和氫氣(H2)混合氣，硅烷濃度(SC=[SiH4]/[SiH4]+[H2])為可變量 ，沉積壓力為10～100Pa，襯底溫度在100～300 ℃，沉積時(shí)間1h．在樣品沉積過(guò)程中，要求學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．實(shí)驗(yàn)后查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，能對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行解釋．

3.3樣品表征與分析

樣品測(cè)試表征前要求學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)表征方法的基本原理，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行不同類型的測(cè)試與分析．以材料的結(jié)構(gòu)表征為例，X射線衍射分析是分析物質(zhì)內(nèi)部的原子在空間上是如何分布的最有效方法，通過(guò)X射線衍射分析，可得到薄膜的結(jié)構(gòu)信息，如，晶粒取向與大小分布、晶胞參數(shù)等；Raman光譜是評(píng)價(jià)薄膜樣品晶態(tài)、非晶態(tài)成分的有效手段；掃描電子顯微鏡則可以更加直接地觀察到材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)．

圖1是硅薄膜的XRD譜，衍射峰的出現(xiàn)表明硅薄膜中有晶體相出現(xiàn)．衍射峰(111)、(220)、(311)和(400)可以歸屬為晶體硅的衍射峰．XRD 結(jié)果說(shuō)明沉積的硅薄膜是微晶硅薄膜．微晶硅薄膜是由納米級(jí)晶體硅顆粒鑲嵌于非晶硅基質(zhì)中的混合相材料．對(duì)于Raman峰位在480 cm-1～520 cm-1之間的薄膜，一般是非晶硅與晶體硅顆粒的混合相．對(duì)混合相薄膜的Raman光譜進(jìn)行了分峰擬合，如圖2所示，Raman光譜可以采用480 cm-1，510 cm-1和520 cm-1三個(gè)特征峰很好地?cái)M合．?dāng)M合后，對(duì)三個(gè)擬合峰的曲線進(jìn)行面積積分，求出其積分強(qiáng)度，并分別記作I520，I510和I480，利用公式(1)計(jì)算薄膜的晶態(tài)比．計(jì)算結(jié)果表明生成硅薄膜的晶化度約為51%．

(1)

圖1　硅薄膜的XRD譜

圖2　硅薄膜的Raman光譜及其擬合曲線

圖3給出了硅薄膜的上表面和橫截面的SEM形貌圖．由圖3(a)平面圖可以看出硅薄膜表面晶粒尺寸均勻．由圖3(b)的橫截面圖可以看出，隨著沉積時(shí)間的增加，微晶硅薄膜結(jié)構(gòu)的逐漸演化，呈現(xiàn)出微晶硅生長(zhǎng)的典型過(guò)程：首先形成較致密的孵化層，隨后逐漸出現(xiàn)微晶硅的柱狀生長(zhǎng)．

(a)平面圖

(b)截面圖

以上樣品結(jié)構(gòu)的測(cè)試表征可以在學(xué)生熟練掌握儀器設(shè)備工作原理和使用方法的基礎(chǔ)上，在教師指導(dǎo)下讓學(xué)生獨(dú)立操作，在實(shí)際操作中，學(xué)生會(huì)有更深刻的感悟．此外，要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)的處理和分析方法，能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的討論和解釋，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或小論文．在此學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)階段，教師一般只需總體把握實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)于關(guān)鍵環(huán)節(jié)或?qū)W生容易犯錯(cuò)的環(huán)節(jié)，教師需要認(rèn)真指導(dǎo)、演示或及時(shí)提醒，以免損壞大型設(shè)備．

3. 4實(shí)驗(yàn)的拓展

針對(duì)研究興趣濃厚和能力比較強(qiáng)的學(xué)生，該實(shí)驗(yàn)可做進(jìn)一步拓展．

(1)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)(襯底類型、襯底溫度、沉積氣壓、硅烷和氫氣比例、沉積功率等)得到不同結(jié)構(gòu)的硅薄膜并研究各參數(shù)的影響規(guī)律[9，10]；

(2)對(duì)材料性能進(jìn)行更加豐富的表征，比如對(duì)材料的導(dǎo)電類型、載流子傳輸能力、光學(xué)性質(zhì)等；

(3)對(duì)硅薄膜進(jìn)行摻雜并進(jìn)一步做成PN結(jié)、晶體管、太陽(yáng)能電池器件等[13]．

通過(guò)前期研究型實(shí)驗(yàn)的開展，學(xué)生基本具備科學(xué)研究的素養(yǎng)與技能，因此，在拓展實(shí)驗(yàn)階段，教師可以給學(xué)生有更大的自由度和創(chuàng)新空間，可以在此階段開展大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽、本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等工作[14，15]．

4教學(xué)效果

基于PECVD設(shè)備應(yīng)用開設(shè)的研究型實(shí)驗(yàn)的探索取得了以下效果.

(1)學(xué)生認(rèn)為此類實(shí)驗(yàn)既聯(lián)系科技前沿又貼近現(xiàn)實(shí)生活，學(xué)習(xí)興趣顯著增強(qiáng)，參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性明顯提高；

(2)在研究型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力和面向工程的應(yīng)用能力，真正做到學(xué)以致用；

(3)讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)了科學(xué)研究過(guò)程中研究人員需要具備的科學(xué)素養(yǎng)和研究能力；

(4)研究型實(shí)驗(yàn)的相對(duì)復(fù)雜性也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度．

同時(shí)，我們也看到了開展此類實(shí)驗(yàn)存在的問題.

(1)實(shí)驗(yàn)涉及的設(shè)備造價(jià)高、操作要求高，學(xué)生和教師都要對(duì)實(shí)驗(yàn)做充分準(zhǔn)備，要有應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的處理預(yù)案；

(2)此類實(shí)驗(yàn)工作量大，周期較長(zhǎng)，學(xué)生比較容易半途而廢，需要教師做好思想引導(dǎo)工作，同時(shí)建立有效的評(píng)價(jià)機(jī)制．

5結(jié)束語(yǔ)

研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)高等教育有計(jì)劃地培養(yǎng)、訓(xùn)練和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)和途徑．通過(guò)“PECVD技術(shù)制備硅薄膜”這一研究型實(shí)驗(yàn)的開展，能夠使大型科研設(shè)備有效地服務(wù)于本科教學(xué)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)直接接觸到科學(xué)研究前沿，激發(fā)了他們的研究興趣，使他們的物理學(xué)理論知識(shí)得到了驗(yàn)證、應(yīng)用和拓寬，有效地培養(yǎng)了大學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)研究能力．

參 考 文 獻(xiàn)

1李小昱，王為，胡波.研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與思考.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(6)：105～107

2張朝暉，呂斯驊.綜合物理實(shí)驗(yàn)和研究性創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)的建設(shè).大學(xué)物理，2009，28(11)：48～50

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4呂鳳柱.研究型大學(xué)中的開放實(shí)驗(yàn)和大型儀器開放.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(3)：351～353

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10陳靈，彭成紅.加強(qiáng)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué) 提高學(xué)生的創(chuàng)新能力.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(8)：202～204

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14史紹蓉，于風(fēng)江，吳吉娜，等.向研究與自由研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式的構(gòu)建與實(shí)踐. 中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008(10)：56～57

15黃媛，何琴玉.本科畢業(yè)論文與實(shí)驗(yàn)教學(xué)雙贏模式構(gòu)建.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(11)：172～175

Implementation and Discussion on University

Research-type Physics Experiment Teaching

—— As An Example of Preparation Silicon Thin Film by PECVD Technology

Gao HuipingTian JianjunJiang JunhuaMao Yanli

(School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng,Henan475004)

Abstract：Research-type experiment teaching is an important way to cultivate students innovation consciousness,innovation ability and scientific research quality. Taking the experiment of “prepare silicon thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique” for example, this paper discussed how to carry out a research-oriented experiment.The effect on training students' theory with practical ability, innovation ability and scientific research ability was analyzed and discussed.

Key words:research-type experiment;plasma enhanced chemical vapor deposition;Si thin film

收稿日期：(2015-04-14)

作者簡(jiǎn)介：(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院河南 開封475004)