淺談大學生如何開展科學研究

杜永+徐家躍+田甜+竇允辰

（上海應用技術大學 材料科學與工程學院，上海 201418）

摘要：本文結合實踐中的教學和科研經驗，以Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料為例淺析大學生如何開展科學研究。

關鍵詞：大學生；科學研究；科研能力

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）18-0275-02

大學生開展科學研究，有利于鞏固所學的理論知識，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，對以后從事教學或者科研等相關工作具有重要意義。近年來，很多大學生從大學一年級就開始進入老師的課題組，組建大學生創新項目團隊，開展大學生創新項目的研究。在此過程中大學生經常遇到的一個問題就是如何開展科學研究？結合本人多次擔任大學生創新項目團隊指導教師的經驗，以Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料為例談談自己對材料專業大學生如何開展科學研究的一些看法，具體如下。

一、選擇一個感興趣的課題

興趣對于課題的研究至關重要。大學生在選擇科學研究課題的時候要結合自己的情況選擇一個感興趣的研究課題。比如有的同學對熱電材料感興趣，就可以選擇熱電材料中的某一個具體問題作為研究課題。由于熱電材料是一個相對比較大的研究課題，那么如何選擇熱電材料中的一個具體問題？這就要求同學們通過文獻查閱后進行歸納總結，找到自己感興趣的、切合自己研究水平的課題。如果在此過程中選擇一個研究范圍很大或者研究內容很難的課題，課題的完成將面臨很大的困難。

二、通過閱讀大量的文獻找出研究課題的突破口

同學們對某一研究領域的課題產生了興趣以后，可以通過Web of knowledge平臺、中國期刊全文數據庫、萬方等數據庫，輸入關鍵詞，查詢所要研究課題最新的文獻。通過閱讀這些文獻資料，對所要研究課題目前的國內外研究現狀、存在的問題、以及未來可能的發展趨勢有較明確的認識。如對熱電材料感興趣的話，可以在Web of Science數據庫輸入關鍵詞“thermoelectric materials”，或者在中國期刊全文數據庫、萬方等數據庫輸入關鍵詞“熱電材料”，就可以檢索出很多熱電材料相關的文獻資料。通過對這些文獻的閱讀和整理，同學們對熱電材料就會有一個比較明確的認識和理解，比如熱電材料可以將工業廢熱轉變成電能，也可以用來制冷，并且利用熱電材料制備的熱電發電和制冷器件在使用過程中具有結構簡單、無噪聲、無污染、無機械振動等優點[1]。目前熱電材料已經在航空、航天、軍事、汽車等領域取得了應用。熱電材料主要分為無機熱電材料、聚合物熱電材料、以及有機—無機復合熱電材料三類。Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料是有機—無機復合熱電材料的一種，具有廣闊的應用前景，比如柔性熱電器件等，但是目前此課題的研究相對較少，還有很多亟待解決的問題值得深入的研究。這樣找就到了熱電材料中的一個可能開展的具體研究課題。

接著可以在Web of Science數據庫輸入關鍵詞“Bi2Te3”、“PEDOT：PSS”、“thermoelectric”，或者在中國期刊全文數據庫、萬方等數據庫輸入關鍵詞“Bi2Te3”、“PEDOT：PSS”、“熱電”就能檢索出多篇和上述研究相關的英文和中文文獻。通過對上述參考文獻的分析可知，目前在制備Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料過程中主要存在的問題是：（1）Bi2Te3基合金納米結構容易氧化；（2）Bi2Te3基合金在PEDOT：PSS基體中難于有效的分散[2]。未來可能的發展趨勢是研究和開發制備Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料新的工藝，從而解決Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料制備過程中存在的上述兩個問題，提高所制備材料的熱電性能。通過對參考文獻的進一步分析可知，目前制備Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電材料的一種有效方法是首先對Bi2Te3基合金納米結構進行剝離，剝離后的Bi2Te3基合金納米薄片可以在乙醇中有效分散，然后將分散在乙醇中的Bi2Te3基合金納米薄片與PEDOT：PSS進行混合，最后通過旋涂法和澆注法制備Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電薄膜材料[2]。但是參考文獻[2]目前只研究了Bi2Te3基合金納米薄片的含量對Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料電導率和Seebeck系數的影響規律。而關于Bi2Te3基合金納米薄片的含量對Bi2Te3基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料熱導率以及ZT值（ZT=S2σ/κT，S、σ、T和κ分別為Seebeck系數、電導率、熱力學溫度和熱導率）的影響仍未有報道。因此開展此課題研究的創新點就是研究Bi2Te3基合金納米薄片的含量對Bi2Te3基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料的熱導率以及ZT值的影響規律。這就找到了Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS納米復合熱電薄膜材料研究的突破口，為課題研究方案的制定提供了依據，為項目的順利開展奠定理論基礎。

三、制定詳細的實驗方案

在找到項目研究的突破口后，需要制定詳細的實驗方案。實驗方案的設計過程中，要綜合考慮各種因素對實驗結果的影響，比如：（1）影響Bi2Te3基合金納米顆粒剝離成納米薄片的主要因素；（2）Bi2Te3基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料制備工藝的探索；（3）Bi2Te3基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料中Bi2Te3基合金納米薄片與PEDOT：PSS質量比的選擇等。一般而言實驗方案制備的越詳細、各種影響因素考慮的越全面，后續的實驗就會相對順利一些。

四、按照實驗方案開展實驗

實驗方案制定好以后，就到了實驗階段。通過嚴格執行所設計的實驗方案來具體研究實驗方案中制定的研究內容，重點研究Bi2Te3基基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電材料中Bi2Te3基合金納米薄片的含量對于復合材料相組成、微觀結構、載流子濃度和遷移率、熱電性能的影響規律（電導率、熱導率和Seebeck系數）等。當然在這一過程中也可能會遇到一些實驗方案設計過程中未曾考慮到的新問題，這就需要根據所遇到的具體問題來重新調整實驗方案，以保證實驗方案的順利完成。

五、實驗數據的分析和總結

實驗完成后，可以借助一些常用的軟件對實驗數據進行分析，與參考文獻中報道的Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料的電導率和Seebeck系數結果進行對比，分析Bi2Te3基合金納米薄片/PEDOT：PSS復合熱電薄膜材料中Bi2Te3基合金納米薄片的含量對于復合材料熱導率和ZT值的影響，并與已經報道的Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS復合熱電材料[2，3]，以及其他類別的有機—無機熱電材料（如：Bi2Te3基合金/聚苯胺[4]、石墨烯/聚苯胺[5]等）的性能進行比較。分析實驗的效果、存在的不足、提出改進的方法、展示研究成果，形成實驗報告或者撰寫研究論文。

六、結語

對于材料專業的大學生來說，開展科學研究可以提高學生收集資料、閱讀文獻、歸納綜述、分析具體問題、思維和動手能力，有利于鞏固所學的理論知識。對于培養大學生的科研創新能力具有重要意義。希望本文能為材料專業大學生關于如何開展科學研究提供一些思路，更好地完成大學生創新項目課題的研究。

參考文獻：

[1]毛健新，乜廣弟，盧曉峰，高木，王威，王策.導電高分子及其納米復合材料的熱電性質[J].高等學校化學學報，2016，（37）：213-220.

[2]Y.Du，et al.，ACS Appl.Mater.Interfaces，2014，6，5735.

[3]B.Zhang，et al.，ACS Appl.Mater.Interfaces，2010，2，3170.

[4]X.B.Zhao，et al.，Materials Letters， 2002，52，147.

[5]Y Du，et al.，Synthetic Metals，2012，161，2688.

收稿日期：2016-11-30

項目資助：上海應用技術大學引進人才科研啟動資金項目（39120K166005-YJ2016-5）資助

作者簡介：杜永，特聘研究員，主要從事有機—無機納米復合熱電材料和柔性熱電器件的研究工作。