加強大型儀器開放促進學生創新研究——以掃描電子顯微鏡/聚焦離子束刻蝕雙束系統為例

李洪云　褚賽賽　李 焱

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加強大型儀器開放促進學生創新研究
——以掃描電子顯微鏡/聚焦離子束刻蝕雙束系統為例

李洪云褚賽賽李 焱

摘 要：探討了高校大型儀器設備面向本科生、研究生等開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為例，闡述了擴大儀器設備對學生開放程度，既能充分發揮儀器設備在科研教學中的作用，又能培養學生實踐創新能力，推動高校培養高水平綜合型學生的目標．

關鍵詞：大型儀器開放學生創新

大型儀器是高校從事教學、科研的重要保障條件，也是衡量一所學校實驗條件和科研環境的重要標志[1]，在高校的實驗教學和科學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資源，也是高校培養高素質人才、提升科學研究水平，參與社會產業服務的必要基礎．隨著國家對高等教育的大力投入，在“985”工程和“211”工程的資助下，以及國家實驗室、國家重點實驗室、國家工程研究中心等國家級研究平臺的發展建設中，我國高校的科研條件已有大幅提升，尤其是國際先進水平的大型儀器設備的數量和種類，與以往相比有了顯著的增加，部分實驗室硬件科研條件已經接近或達到世界先進水平．以北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室為例，目前已配置了超高分辨率掃描電鏡/聚焦離子束刻蝕系統、離子電子動量成像譜儀、多功能超高分辨電子束刻蝕系統，高溫金屬有機化合物氣相外延系統、脈沖激光/磁控濺射雙模式薄膜沉積系統等多臺大型先進儀器設備，這些儀器設備的技術指標普遍接近或達到了當前世界先進水平．隨著大型儀器數量的增加和性能的提高，如何更有效地發揮大型儀器的功能，更好地為教學和科研服務，提高其使用率和經濟效益是極有必要和有意義的，也是值得高校實驗工作者不斷思考和探索的問題．

1大型儀器設備開放提供學生創新條件

高校最核心的工作是人才培養.2012年教育部在《關于全面提高高等教育質量的若干意見》中明確表示：探索拔尖創新人才培養模式．與國外教育發達國家相比，我國在創新性人才培養方面還有很大的差距．美國是科技教育發達國家，擁有一大批世界一流大學，其學生培養模式尤其是研究生培養模式為本國甚至全世界培養了大量的優秀人才．美國研究生教育以培養學生的研究創新能力為核心，教學方式富有啟發性，教師注重引導學生積極主動地思考，開展討論，讓學生主動投入到學習中去．美國研究生畢業的首要要求是能對研究領域的知識作出新的貢獻，必須有創新性的成果[2]．相比而言，我國研究生教育的一個主要問題就是研究生創新能力不強．受傳統教育的影響，許多研究生缺乏創新思維能力，習慣于接受和掌握現成的知識．在進行論文和研究方案設計時，研究生很少或根本沒有自己的獨到見解和創新點，在開展實驗研究過程中，對實驗儀器的掌握程度比較膚淺，動手能力不強．隨著我國國家創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備的豐富資源，促進創新型人才的培養，成為培養高校學生的一個極佳途徑．

大型儀器具有技術先進、價格昂貴、維護成本高等特點．通常的觀點認為：學生實驗經驗較少，對待儀器的責任心不夠強，獨立操作儀器容易造成儀器損壞，帶來較大的經濟損失.因此貴重的大型儀器不適于向學生尤其是低年級學生開放使用，通常都是由專業的儀器管理人員來進行操作．很多實驗室大型儀器使用模式為：學生提出要求——管理人員制備加工——交付完成樣品．有實驗需求的學生將樣品和設計方案告訴儀器管理人員，由專業儀器管理人員操作設備并對樣品進行制備.學生拿到加工后的樣品再進行后續的簡單測量等其他科研工作．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行．同時，由于專業人員操作熟練，經驗豐富，大型儀器工作效率也很高．

但是隨著科學發展的不斷深入，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．一方面，前沿科學研究對樣品制備、加工和測量的精確度要求越來越高．隨著微米/納米尺度科學日新月異地發展，人們發現，樣品加工制備過程中很小的差別就可能導致完全不同的實驗結果.尋找符合實驗要求的參數是需要在實驗過程中不斷摸索才能獲得，流水線式的樣品加工模式已經無法滿足現在的科研發展；另一方面，學生對于樣品加工制備過程不清楚，缺乏培養親自動手能力的機會，在整個科研工作中對于遇到的一些難題和疑惑就無法進行全面深入地思考．學生無法獨立操作大型儀器，既阻礙了大型儀器充分發揮其使用價值，也在一定程度上限制了科學研究的進展．

事實上，隨著科學技術的發展，很多大型儀器設備已經具備了擴大開放使用的條件.培養學生親自操作大型儀器的動手能力，也成為高校提高學生創新性，發展國際一流科學研究的一個趨勢．當前新形勢對高校學生創新能力和實踐能力的要求越來越高，而實驗室則是培養學生開拓創新能力和提高實踐能力的重要基地．實驗室必須充分挖掘現有的各項潛力，積極創造條件向學生開放．北京大學人工微結構和介觀物理國家實驗室是我國物理領域人才培養和科學研究的重要基地，在國家和依托單位的支持下，經過二十幾年的建設和發展，已經配備了一批先進的大型儀器，同時也在不斷探索充分利用大型儀器資源，面向本科生、研究生等全面開放使用的意義和價值．以掃描電子顯微鏡/聚焦離子束刻蝕雙束系統為例，我們多年的儀器開放使用經驗驗證了大型儀器面向學生開放，培養學生創新能力的可行性．

2儀器高度集成自動化具備開放可行性

隨著小尺度精密測量技術和介觀物理實驗研究的進一步發展，不僅需要納米級的加工精度，而且需要在位實時觀察，目前最有效的手段為聚焦離子束(FIB) 和掃描電子顯微鏡(SEM)結合的雙束系統．這種系統將超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和精確的聚焦離子束(FIB)刻蝕和材料沉積結合起來，能夠在納米尺度進行多種介觀體系原型制作、加工、兩維/三維表征和分析．雙束系統可以對納米半導體與光電子器件、低維納米結構與器件、寬禁帶半導體材料與器件、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的研究平臺．北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室于2010年啟動購置掃描電鏡和聚焦離子束雙束系統，并最終選定美國FEI公司HeliosNanoLab掃描電子顯微鏡(SEM)/聚焦離子束(FIB)刻蝕雙束系統(以下簡稱：SEM/FIB雙束系統)．HeliosNanoLab是目前最強大的場發射掃描(FESEM)+聚焦離子束(FIB)雙束顯微鏡系統, 配備了新一代TLD二次電子/背散射電子探測器，樣品室紅外CCD，以及可選CDEM離子探測器、STEM和固體背散射探測器等．在最適佳工作距離下，加速電壓為15KV時，電子束掃描分辨率可以達到0.9nm，同時具有出色的成像質量和系統穩定性．可以制備最薄的樣品，實現非常低的樣品損傷，加工速度快．實驗室所購置的SEM/FIB雙束系統不僅可以實現對各類物質的直接加工，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結構，還可以實現對加工過程進行觀察和結果表征[3]．HeliosNanoLab與早期系列相比，操作變得更加輕松．

大型儀器面向學生開放，首先得益于其操作使用的簡便和性能的穩定．隨著科學技術的發展，尤其是計算機技術等的日新月異變化，大型儀器的自動化程度、集成化程度、精確化程度越來越高，無論從儀器的維護還是操作，都為使用者提供了便利，這一點也是目前很多大型儀器的共同特點．SEM/FIB雙束系統配備的軟件具有非常友好的操作界面，各項功能選項圖示清楚，簡潔易懂，大部分調節和操作都通過電腦控制，利用鼠標、鍵盤和控制臺就可以實現．儀器裝配了改進的xT軟件平臺，對于沒有操作經驗的人員來說，僅需要熟悉SEM/FIB雙束系統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，就可以完成簡單的電子顯微鏡成像、聚焦離子束常規微納結構加工、Pt沉積等實驗任務，很好地實現了面向學生開放的易用需求；創新的Elstar電子鏡筒具有卓越的高分辨率成像性能，可實現更高熱量穩定性的恒定功率透鏡，可實現更高探測線性和速度的靜電掃描以及可實現各種條件下超清晰成像，對于使用者來說，通過簡單的調節步驟，就可以很短時間內獲得非常清晰的電子掃描圖像，大大提高了實驗速度和質量；健全、精確的FIB切片以及150×150mm高度精確穩定的壓力驅動樣品臺和卓越的電子束掃描性能開啟全新一代自動軟件的大門，可在無專業人員值守的情況下實現樣品制備或三維特征分析．

3專業技術人員管理保障安全開放

科技的飛速進步實現了大型儀器操作和使用的簡便，為大型儀器更廣泛地開放提供了前提條件，而大型儀器設備配備專業人員操作維護，并對使用者提供培訓考核服務，也是必不可少的一個要素．一個穩定、敬業、高水平的實驗技術人員隊伍，是設備得到良好保養，維護、開放、共享，充分發揮其功能的重要保障．貴重儀器設備技術含量高，需有高水平的管理和操作人員配合才能充分發揮作用[4]．實驗室需要不斷提高實驗技術人員的技術水平和操作能力，讓設備隨時都處于正常狀態，使用戶感覺使用方便，數據可靠．其次是建立嚴格的培訓制度，對于缺乏實驗經驗的學生，尤其是低年級學生來說，直接操作大型儀器仍然會對儀器安全造成很大的風險，容易造成儀器設備的損壞或故障．只有專業儀器管理人員為學生提供嚴格的培訓，學生經考核合格并取得合格證后，才具備上機操作的資格，這樣既保證了大型儀器的開放使用，又保障了大型儀器的安全運行．北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室SEM/FIB雙束系統配有專業工程師管理，從儀器開放最初，就實行工程師培訓學生，學生獨立實驗的模式．在學生培訓過程中，我們還實行了導師推薦制——參加培訓的學生須由導師推薦報名，一方面保證參加培訓的學生都是科研工作中對儀器使用有需求，另一方面發揮導師的監督作用，督促學生能夠認真完成培訓課程，順利通過考核，最終達到獨立上機操作的目的．在培訓過程中既包括集中授課，也包括上機操作訓練，在工程師陪同下學生可以操作練習儀器培訓內容，做到理論實踐相結合，更快掌握儀器使用要領．通過考核的學生，獨立操作SEM/FIB雙束系統，充分發揮了主動性和創造性，結合自己的研究課題做出了非常好的實驗結果，在國內外學術期刊發表了大量的論文．

除去儀器自身具備的可開放性，真正落實加強大型儀器開放，促進學生創新研究還需要高校管理及學生工作等各方面的支持．高校應大力促進學生參與科研實驗，尤其是低年級研究生和本科生，擴大高校大型儀器設備在教學科研方面的服務對象．大型儀器具體服務內容既涵蓋實驗教學和研究生科研，也涵蓋本科生畢業論文及本科生科研等．我們應該使得高校大型儀器的作用不僅限于保障教學的順利進行，更應該在促進學生的動手能力、科研能力及綜合素質的提高方面起到積極的作用．

參 考 文 獻

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

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

3彭開武.FIB/SEM雙束系統在微納加工與表征中的應用.中國材料進展,2013,32(12)：728

4萬長建.高校大型儀器設備開放共享機制的建立與措施.實驗技術與管理,2008,25(7)：276

收稿日期：(2015-04-07)

通訊作者：(北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室北京100871)

作者簡介：李洪云(1981)，女，工程師．主要研究方向是微納結構的表征和加工．