利用科研實(shí)踐中“壞結(jié)果”的兩面性培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

孫浩亮 魏明

[摘 要] 在科研教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力是一項(xiàng)重要任務(wù)，也是我國素質(zhì)教育及萬眾創(chuàng)新的基本要求。文章利用事物的兩面性對科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的一些“壞結(jié)果”進(jìn)行了辯證分析，換一個角度看待“壞結(jié)果”，使之變成科研創(chuàng)新的起點(diǎn)。這種方法在科研教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維起到了良好的效果，為提升學(xué)生創(chuàng)新能力提供了不同的思路。

[關(guān)鍵詞] 辯證分析;科研實(shí)踐;“壞結(jié)果”;創(chuàng)新思維

[基金項(xiàng)目] 國家自然基金委——河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金（U1204521）;國家級大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202010464013）

[作者簡介] 孫浩亮（1975—），男，遼寧人，工學(xué)博士，河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榧{米薄膜材料。

[中圖分類號] G640? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）42-0135-02? ? [收稿日期] 2019-03-07

在科研教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力是科研工作者的一個重要任務(wù)，也是我國素質(zhì)教育、萬眾創(chuàng)新的基本要求。如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，成為近幾年高校科研教學(xué)中教師關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

一、薄膜表面長出了顆粒

在微電子器件領(lǐng)域目前已經(jīng)進(jìn)入銅互連時代，集成電路中的互連線的主要材料銅薄膜。為了提高銅薄膜的抗電遷移性，一些研究者通過向銅薄膜中添加微量合金元素的方法改善銅薄膜的性能，研究發(fā)現(xiàn)對純銅薄膜和銅合金薄膜進(jìn)行退火后，在薄膜表面可能會析出一些不規(guī)則的丘凸，丘凸的出現(xiàn)將形成會危害電子器件的使用壽命，為確保薄膜電子器件的服役安全性，生產(chǎn)和科研上都不希望丘凸出現(xiàn)，或者盡量采取各種方法避免丘凸出現(xiàn)。

在指導(dǎo)研究生進(jìn)行銅合金微觀結(jié)構(gòu)與性能研究的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)退火后銅合金薄膜表面出現(xiàn)了大量顆粒，急匆匆地來告訴我實(shí)驗(yàn)失敗了，需要調(diào)整合金成分。我仔細(xì)查閱了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)薄膜表面出現(xiàn)的顆粒確實(shí)很多，其中很多是棱角分明的多面體顆粒，薄膜表面出現(xiàn)這些顆粒出乎我們的預(yù)料，同時薄膜表面出現(xiàn)這些顆粒意味著這個成分的合金薄膜確實(shí)不適合作為互連導(dǎo)線材料。但是，我沒有簡單地把這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸結(jié)為失敗的實(shí)驗(yàn)，我告訴學(xué)生，從這個結(jié)果告訴我們目前的合金成分不適合作為集成電路互連導(dǎo)線材料，我們需要調(diào)整合金成分，但從另一個角度分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出現(xiàn)顆粒這個現(xiàn)象就可能變成好事。我們知道由于良好的綜合性能及成本優(yōu)勢，純銅及其氧化物顆粒在潤滑、催化、氣敏、太陽能電池等方面具有廣泛應(yīng)用。目前通過傳統(tǒng)的濺射方法也可以制備純銅顆粒，但是制備的純銅顆粒尺寸受限制，一旦顆粒尺度超過十幾納米，就會出現(xiàn)顆粒相互連接形成薄膜的現(xiàn)象。基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀可以看出，雖然人們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以通過多種方法制備出亞微及納米尺度的銅顆粒，但是所制備的銅顆粒基本都是自由態(tài)的單分散顆粒或者許多顆粒團(tuán)聚在一起，很難將這些顆粒固定在基體或者薄膜表面。盡管通過模板法可以在基體或者薄膜表面生長純銅顆粒，但是這種方法技術(shù)復(fù)雜，而且在去除模板的過程中容易對銅顆粒造成污染，因而也不適合產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。綜上所述，可以看出現(xiàn)有的技術(shù)方法無法在薄膜表面生長與薄膜結(jié)合良好的銅顆粒，針對這一問題，我們在實(shí)驗(yàn)中獲得的“壞結(jié)果”實(shí)際上提出了一種在薄膜表面自形成尺度可控并與薄膜結(jié)合良好的單分散微、納米尺度銅顆粒的新方法，而且可以獲得納米顆粒與薄膜相結(jié)合的顆粒復(fù)合膜。學(xué)生聽完我的分析豁然開朗，沿著制備納米顆粒復(fù)合膜的思路做了一系列系統(tǒng)深入的研究，取得了具有一定創(chuàng)新性的好結(jié)果。相關(guān)科研結(jié)果已在國內(nèi)外期刊上發(fā)表了科技論文，同時申請了國家技術(shù)發(fā)明專利，獲得的顆粒復(fù)合膜見圖1。

二、將金屬與單晶硅之間的擴(kuò)散應(yīng)用在太陽能電池制絨

近年來，為降低炭排放量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康、可持續(xù)發(fā)展，高效率、低成本單晶硅太陽能電池的研制及產(chǎn)業(yè)化受到了世界各國的高度重視，其應(yīng)用也日益廣泛。然而，與傳統(tǒng)能源相比，目前單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)成本依然略高，這限制了其在更多領(lǐng)域的普及應(yīng)用。顯然，降低生產(chǎn)成本、提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題，成為當(dāng)前太陽能電池領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。研究發(fā)現(xiàn)，對于硅太陽能電池來說，在硅片厚度相同的情況下，在硅片表面形成絨面結(jié)構(gòu)是降低太陽能電池表面反射率、提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的有效途徑。

從文獻(xiàn)及專利內(nèi)容中可以看出，在太陽能電池表面形成絨面結(jié)構(gòu)不僅可以降低表面的反射率，還可以在電池的內(nèi)部形成光陷阱，從而顯著地提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，是提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的重要技術(shù)方法之一。目前，文獻(xiàn)和專利中報道的制備絨面方法主要包括化學(xué)堿液腐蝕法、機(jī)械刻槽以及激光刻槽等方法，每種方法的技術(shù)特點(diǎn)及其獲得的絨面結(jié)構(gòu)均有所不同。堿溶液制絨法存在的主要問題是需要進(jìn)一步提高絨面的一致性、均勻性，以及反應(yīng)的可重復(fù)性等。機(jī)械刻槽法和激光刻槽法的特點(diǎn)是刻槽位置、尺度可控，但所刻槽的內(nèi)表面往往起伏不平，加工過程中容易污染硅片，同時加工效率較低，成本較高。因此，為提高單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率和拓展其應(yīng)用空間，探索能夠獲得高質(zhì)量絨面結(jié)構(gòu)的新方法有重要的意義。在集成電路制備過程中需要將金屬銅薄膜沉積生長在單晶硅基體上，在一定溫度條件下銅薄膜會與硅基體相互擴(kuò)散，危害集成電路的使用壽命和安全性。為了避免銅薄膜與硅基體之間的擴(kuò)散，可以在銅與硅基底間沉積阻擋層阻止銅向硅中擴(kuò)散形成化合物，同時改善銅薄膜與硅基底的結(jié)合強(qiáng)度。

通過對金屬薄膜與單晶硅基體之間的擴(kuò)散行為進(jìn)行深入分析，我們發(fā)現(xiàn)在特定條件下銅向硅中擴(kuò)散是按照一定方向進(jìn)行的，我指導(dǎo)研究生計(jì)劃利用這種擴(kuò)散行為對單晶硅基體進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)改性。實(shí)驗(yàn)中我們通過在單晶硅基體上沉積銅合金薄膜，然后進(jìn)行退火處理，誘導(dǎo)銅原子按照一定方向向硅基體中擴(kuò)散，在硅基體表面區(qū)域形成了大量分布均勻的銅硅化合物。而后我們采用一些特制的酸液將銅硅化合物腐蝕去除，就在單晶硅表面獲得了分布均勻的V形槽絨面結(jié)構(gòu)，見圖2，在提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率上有潛在的應(yīng)用前景。通過這個研究我們利用了銅與單晶硅擴(kuò)散這個“不利”行為，認(rèn)清其規(guī)律，將這種“不利”的擴(kuò)散行為應(yīng)用到太陽能單晶硅基體制絨結(jié)構(gòu)獲得了良好的效果，相關(guān)結(jié)果已經(jīng)獲得國家技術(shù)發(fā)明專利。

結(jié)論：

在材料研究領(lǐng)域特別是納米材料研究過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)不符合預(yù)期的不理想結(jié)果或者稱之為“壞結(jié)果”。事物都具有兩面性，從研究者既定的思路出發(fā)，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)這些“壞結(jié)果”無疑是失敗的實(shí)驗(yàn)，換一個角度對這些“壞結(jié)果”進(jìn)行分析，可能會發(fā)現(xiàn)這些不符合預(yù)期的“壞結(jié)果”可能正是其他研究領(lǐng)域渴望獲得的“好結(jié)果”。

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Using the Duality of "Bad Results" in Scientific Research Practice to Cultivate Students' Innovative Thinking

SUN Hao-liang，WEI Ming

（Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471023，China）

Abstracts：It is an important task to cultivate students' innovative thinking and innovative ability in scientific research and teaching practice，and it is also the basic requirement of quality education and innovation in our country.The article uses the duality of things to dialectically analyze some "bad results" in the process of scientific experiments，and look at the "bad results" from another angle，making them the starting point for scientific research and innovation.This method has a good effect in cultivating students' innovative thinking in scientific research and teaching practice，and provides different ideas for improving students' innovative ability.

Key words：dialectical analysis;scientific research practice;bad results;innovative thinking