陳戰(zhàn)東，王志文，陳哲耕

（廣西民族大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，廣西 南寧 530006）

1 引言

微納制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大地促進(jìn)了新材料、新器件的研發(fā)，深刻影響著科技發(fā)展的趨勢(shì)，一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)，比如光催化[1]、光伏發(fā)電[2]、光探測(cè)[3]、傳感器[4]等。隨著微納制造行業(yè)的迅速擴(kuò)大，其對(duì)高層次人才的需求也越來越迫切。微納制造技術(shù)兼具理論深、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，要求從業(yè)人員有扎實(shí)的理論功底，又具備極強(qiáng)的實(shí)踐能力。這對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了更高的要求，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力無疑成為高校教育改革的重要方向[5]。因此，為了適應(yīng)這種要求，對(duì)于相關(guān)專業(yè)，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是很有必要的[6]。本文以筆者的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為例，介紹了金屬納米薄膜制備與性能研究綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，探討以培養(yǎng)理論能力、實(shí)踐能力、技術(shù)能力、創(chuàng)新能力為目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的總體方針

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的總體方針是將微納薄膜制造技術(shù)的主要環(huán)節(jié)體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，讓學(xué)生系統(tǒng)地了解、掌握理論原理和研究方法。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：材料制備、性能測(cè)試、材料改性。其中，材料制備模塊包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：真空蒸鍍制備金屬納米薄膜和等離子體直流濺射制備金屬納米薄膜。性能測(cè)試模塊包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：金屬薄膜的表面能測(cè)量和金屬薄膜的透射譜測(cè)量。材料改性模塊包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：金屬納米薄膜的高溫退火實(shí)驗(yàn)和金屬納米薄膜的等離子體表面改性。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏向于科研型實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生綜合能力的發(fā)展具有重要促進(jìn)作用[7]。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與思路

該綜合實(shí)驗(yàn)中涉及到鍍膜儀、接觸角測(cè)量?jī)x、分光光度計(jì)、退火爐等一些比較精密的大型設(shè)備，所以學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)研究之前，需要進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，包括實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備使用方法和實(shí)驗(yàn)安全教育，并對(duì)學(xué)習(xí)培訓(xùn)的效果進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試的同學(xué)方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)研究環(huán)節(jié)。學(xué)生每3-5人為單位組成研究小組，研究小組根據(jù)老師提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求，分析問題，提出實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案得到指導(dǎo)老師的審閱認(rèn)可后，學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)研究，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并學(xué)習(xí)Origin、Matlab等數(shù)據(jù)分析處理軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析討論，得出結(jié)論。若實(shí)驗(yàn)方案存在不足，則在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下進(jìn)行合理修改，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)研究環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)開展流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)課程流程圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K1

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)一、要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過控制蒸鍍的溫度和時(shí)間，制備不同厚度的鋅薄膜，學(xué)生應(yīng)掌握控制變量的研究方法，并對(duì)蒸鍍速率有深刻的理解。

實(shí)驗(yàn)二、等離子體直流濺射鍍膜過程的影響因素較多，包括電極距離、放電電壓、放電電流、氣壓等。因此要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，采用控制變量法，逐一對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜情況下思考、分析問題的能力。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)要求

對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究提出具體要求，確立目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的效果。對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)K1，提出如下要求：

分別調(diào)節(jié)蒸鍍電流和蒸鍍時(shí)間，制備不同厚度鋅薄膜，觀測(cè)薄膜表面形貌，分別得到薄膜厚度與蒸鍍電流和蒸鍍時(shí)間的關(guān)系。

分別調(diào)節(jié)電極間距、放電電壓、放電電流、氣壓，制備不同厚度鋅薄膜，觀測(cè)薄膜表面形貌，分別得到薄膜厚度與這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系。

對(duì)兩種薄膜制備方法進(jìn)行總結(jié)，撰寫研究報(bào)告闡述兩種方法的特點(diǎn)以及采用兩種方法獲得高質(zhì)量薄膜的要點(diǎn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K2

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)三、要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，采用測(cè)量接觸角的方法計(jì)算不同厚度鋅薄膜的表面能。學(xué)生應(yīng)掌握接觸角的測(cè)量方法并理解薄膜厚度對(duì)其表面性質(zhì)的影響。

實(shí)驗(yàn)四、要求學(xué)生利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量不同厚度鋅薄膜的透射譜，通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生應(yīng)掌握分光光度計(jì)的使用方法，以及光譜分析的基本原理和方法，并理解薄膜厚度對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的影響。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)要求

采用二液法測(cè)量液滴接觸角，計(jì)算得到不同厚度薄膜的表面能，討論薄膜表面能與厚度的依賴關(guān)系，得出相應(yīng)結(jié)論。

通過對(duì)透射譜的分析，討論不同厚度薄膜透射譜的變化規(guī)律，簡(jiǎn)要分析其原因，得出相應(yīng)結(jié)論。

對(duì)兩種性質(zhì)測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，撰寫研究報(bào)告，闡述薄膜這兩種性質(zhì)所蘊(yùn)含的物理本質(zhì)，以及薄膜厚度變化引起該兩種性質(zhì)變化的物理機(jī)理。

3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K3

3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)五、要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)薄膜材料進(jìn)行不同程度的退火處理，測(cè)試退火前后薄膜的性質(zhì)變化，理解高溫退火導(dǎo)致薄膜材料性質(zhì)變化的機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)六、對(duì)金屬薄膜進(jìn)行等離子體轟擊，從而研究不同程度轟擊后，材料性質(zhì)的變化（包括表面形貌、表面能、透射譜），理解等離子體表面處理引起薄膜性質(zhì)變化的機(jī)理。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)要求

利用高溫退火爐，分別測(cè)量退火溫度、時(shí)間對(duì)金屬薄膜性質(zhì)的影響，討論退火溫度、時(shí)間與薄膜材料的表面形貌、表面能、透射譜等性質(zhì)變化之間的關(guān)系。

分別測(cè)量放電電壓、放電電流、氣壓、轟擊時(shí)間對(duì)金屬薄膜性質(zhì)的影響，討論這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)與薄膜材料性質(zhì)變化（包括表面形貌、表面能、透射譜）之間的關(guān)系，分析原因，得出相應(yīng)結(jié)論。

對(duì)兩種薄膜改性方法進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，撰寫研究報(bào)告，論述這兩種方法對(duì)薄膜改性的物理機(jī)理的不同之處。

3.4 綜合實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告

學(xué)生完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，還須對(duì)整個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，撰寫總結(jié)報(bào)告，包括各個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的聯(lián)系、金屬薄膜理論體系的概述、反思及改進(jìn)方案等。通過總結(jié)使學(xué)生將該綜合實(shí)驗(yàn)的各個(gè)部分有機(jī)統(tǒng)一起來，形成金屬薄膜制備和測(cè)試的完整理論體系，并進(jìn)一步加深對(duì)各種儀器設(shè)備使用方法的理解和掌握。

4 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)估

學(xué)生在每個(gè)實(shí)驗(yàn)后及時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或研究報(bào)告，指導(dǎo)老師通過批閱報(bào)告及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，并及時(shí)反饋指導(dǎo)學(xué)生予以改進(jìn)，不斷提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理析等方面的能力。通過該實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生掌握了薄膜材料制備相關(guān)的儀器設(shè)備的使用，以及數(shù)據(jù)處理的基本方法和常用軟件（如Origin、Matlab 等）。圖3-圖5 是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取得了不錯(cuò)的效果，學(xué)生普遍興趣濃厚，積極性高，獲得了比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生的動(dòng)手能力、分析能力、思考能力、解決問題的能力等得到了極大提高。

圖3 模塊1：金屬薄膜的金相顯微鏡圖片。左：真空蒸鍍；右：直流濺射鍍膜

圖4 模塊2：金屬薄膜性質(zhì)研究。左：表面能與鍍膜時(shí)間(薄膜厚度)的關(guān)系，插圖為接觸角測(cè)量過程；右：透射譜與鍍膜時(shí)間(薄膜厚度)的關(guān)系

圖5 模塊3：金屬薄膜改性研究。左：接觸角變化率與高溫退火時(shí)間的關(guān)系；右：接觸角變化率與等離子體表面處理時(shí)間的關(guān)系

5 總結(jié)

本文中所介紹的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和平臺(tái)，將金屬薄膜研制的各個(gè)環(huán)節(jié)合理銜接，設(shè)置為一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)課程，達(dá)到了預(yù)期效果。學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力、解決問題能力及科研素養(yǎng)均得到了很大鍛煉和提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。這種基于某一研究方向的綜合性實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置，為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)提供了一種可行的思路。