脈沖激光沉積鍍膜虛擬仿真實驗的設計與教學實踐*

厲淑貞 韓汝取 張亞梅 戴 俊

(江蘇科技大學理學院 江蘇 鎮江 212003)

脈沖激光沉積技術是一種利用高能量光束與物質的相互作用，用來沉積薄膜的新型工藝技術，廣泛應用于各種半導體薄膜、超導薄膜、光學薄膜等，尤其是外延單晶納米薄膜及多層結構薄膜的制備，在薄膜器件研究中具有極為重要的意義[1,2].脈沖激光沉積鍍膜實驗是材料物理、材料化學等相關專業的重要實驗項目，也是高階大學物理實驗教學中的重點和難點.然而該設備精密、價格昂貴、操作復雜、維護成本高，且在制備薄膜的過程中使用到激光、易燃易爆氣體等，在整個實驗過程中具有一定的危險性，從而限制了該實驗的普及，嚴重制約了學生自主創新實驗能力以及教師教學科研能力的提高.

虛擬仿真實驗融合互聯網技術，具有成本低、效率高、可擴展性強、高度開放和資源共享等特點，廣泛地應用于各學科領域.虛擬實驗資源以其獨特的優勢， 介入實驗教學體系， 彌補了傳統實驗教學的不足，解決了傳統實驗教學的實際問題：如實驗場地、 實驗儀器、教師資源的有限性等.因此虛擬仿真實驗教學成為近年來我國高等院校實驗教學中主要推進的教學改革項目[3，4].

我校采用校企協同合作方式研發了脈沖激光沉積鍍膜虛擬仿真實驗項目.通過該項目的學習，使學生對薄膜材料的制備及科學研究有初步了解.項目支持學生隨時隨地反復學習，“以虛促實”指導真實實踐教學，為學生盡早進入實驗室從事科學研究做好準備.

1 脈沖激光沉積鍍膜的基本原理

脈沖激光器所產生的高功率脈沖激光束通過透鏡聚焦后作用于靶材表面，靶材吸收光波能量，溫度迅速升高至蒸發溫度而產生熔蝕，使靶材氣化蒸發.瞬時蒸發氣化的氣化物質與光波繼續作用，使其絕大部分電離并形成局域化的高濃度等離子體.等離子體火焰形成后，繼續與激光束作用，吸收激光束的能量，產生進一步電離，使等離子體區的溫度和壓力迅速提高，使其沿靶面法線方向向外做絕熱膨脹發射，形成等離子體羽輝.之后，氣相粒子在基體上相互集聚在一起，不斷地形成生長核，并且隨著不斷的沉積，核不斷長大，在整個基體上形成島狀結構.不斷長大的生長島會逐漸彼此接觸并合，一直到形成整體連續的一層膜[5].根據需要，可以控制沉積條件一層一層地不斷生長，直到薄膜的厚度達到預定目標.

薄膜的生長是一個十分復雜的過程，其中包括燒蝕粒子與基體表面的相互作用、粒子之間的相互作用，因此激光功率密度、基體的溫度、粒子的入射能量和靶材與基體之間的距離等等因素都對生長過程的演化有著重要影響[6].

2 虛擬仿真實驗項目的構建與開發

為了滿足學生對前沿高端制膜設備的學習需求，基于實驗室真實儀器，結合實驗教學的具體情況，設計了脈沖激光沉積鍍膜虛擬仿真實驗項目.其設計思路主要是：保持實驗內容的完整性，展現虛擬過程的物理屬性，實現實驗過程的虛實融合，體現交互過程的智能化.

具體的知識點包括：(1)脈沖激光沉積鍍膜的基本原理；(2)掌握基片的清洗步驟、靶材和基片的安裝過程；(3)準分子激光器的調節與使用；(4)熟悉超高真空物理設備的操作細節、工作氣壓的調節過程；(5)常見的單層膜和多層膜的制備等.整個實驗項目開展分為題目布置、文獻查閱、師生互動討論、實體實驗+虛擬實驗、考核、互評等環節.本項目的實驗內容可以根據課程要求動態調整，適合簡單演示，也適合深入拓展研究.可與后續的薄膜性能測試等科研實驗相結合，拓展實驗內容.即適用于本科生的本科教學，也適用于研究生的探索性教學.

項目開發時采用二維動畫、HTML5、數學建模、組件開發等技術，開發工具為 Unreal Development Kit，Visual Studio等.項目單場景模型總面數小于50萬，貼圖分辨率1024*1024，每幀渲染次數3次，動作反饋時間小于10 ms，顯示刷新率大于30 fps，分辨率1920*1080.運行時服務器操作系統為Windows Sever，數據庫為SQL Sever.帶寬要求100 M以上，帶寬不足時，系統自動提示.項目可同時支持1 000人以上在線實驗，并提供在線排隊提示服務，超過人數上限時，提示用戶人數已滿.

3 虛擬仿真實驗項目的實施

該項目依據實驗室實際布局搭建模型，操作畫面具有環境真實感、操作靈活性.所有的操作步驟都有詳細而準確的設定，系統可提示正確操作步驟及實驗過程中的注意事項.學生在使用前需安裝特定的虛擬實驗環境，網站上提供相應的下載鏈接.

該項目的主操作界面如圖1所示.

圖1 脈沖激光沉積鍍膜虛擬仿真實驗主操作界面

3.1 基片清洗及靶材安裝

根據需制備薄膜材料的不同，選擇不同的基片和靶材.項目中提供常見的Si基片、K9光學玻璃、Al2O3基片、ITO玻璃基片.要求熟悉不同基片的清洗流程.實驗項目中有4個安裝靶臺，可以提供4種具有代表性的靶材，用于制備氮化物、氧化物、金屬薄膜以及多層膜，如圖2所示.

圖2 靶材的選擇

3.2 真空的獲得

實驗中用機械泵、分子泵抽沉積腔內的氣體，使其達到近似真空狀態，腔內的氣壓可達1×10-4Pa.分子泵界面可顯示當前轉速、頻率、電流等具體信息.該過程讓學生了解在薄膜制備過程中真空的獲取方法與測量技術.掌握熱偶真空規和電離真空規測量真空的原理及使用方法.

3.3 實驗參數的設置

激光器的相關參數(激光頻率、脈沖能量、光斑尺寸)對于薄膜質量的影響較大.激光能量密度不能過低，但也并非越高越好，存在一個優化值，而優化值應結合靶的成分結構及一些綜合外部條件，如氣壓、靶距等，可建立適當數學模型來求取，這方面工作有待進一步深入研究.我們只能給出一個定性的參考，本次實驗當中選用工作頻率5 Hz，工作電壓21 kV.

基體溫度的高低及均勻性對薄膜的結構、生長速率等都有影響，基體溫度的選擇目前尚無系統理論指導，只能限于實際中反復實驗，從而確定最佳的溫度值.因此本實驗可設定加熱臺溫度區間0～800 ℃，溫度的設定需依據鍍膜的具體需求而定.同時靶的轉速也為連續可調.

不同的鍍膜實驗，需要選擇不同的稀有氣體及氣體流量.如在制備氧化物薄膜時，反應室通入一定量的氧氣，可以避免產生缺氧薄膜[7].在制備氮化物薄膜時，選擇合適的氮氣流量，往生長室內通入氮氣達到所需壓強，并保持平穩的氣流[8].因此本實驗提供3種常用的氣體：Ar，O2，N2.氣體流量通過流量計檢測.實驗中可設定常見的氣體流量在10～20 mL/min，腔體的工作氣壓在10～20 Pa.

3.4 薄膜的制備

本實驗中薄膜的制備過程分為兩大類：單層膜的制備和多層膜的制備.制備時，可以通過基片觀察窗口，觀測等離子體羽輝的外形，動畫再現等離子體膨脹直至到達基體最終沉積成膜的過程，便于學生直觀地了解脈沖激光沉積的基本原理.圖3(a)為等離子體羽輝觀察界面.其中薄膜鍍制時長在實際操作中可根據薄膜類型的不同而不同.圖3(c)中定性地給出了隨著鍍膜時間的增加，薄膜的厚度也相應增加.圖3(b)中則動畫顯示了氣相粒子在基體上聚集成分子團、晶核、島化最終成膜生長的過程.

圖中(a)為等離子體羽輝觀察界面,(b)為薄膜沉積過程動畫，(c)為膜厚與沉積時間關系曲線示意圖

4 虛擬仿真實驗項目的教學實踐

該實驗項目的教學采用線上、線下相結合的授課方式，并在授課過程中加大了師生互動的力度.首先，教師采用傳統的課件講解方式，對脈沖激光沉積鍍膜的基本原理、沉積系統的儀器構成，以及薄膜性能表征等理論知識進行講解，讓學生對該實驗有基本的認識；之后，通過虛擬仿真實驗項目的三維模型及動態視頻，可以讓學生進一步深入理解實驗原理、儀器的基本操作；然后，學生上機操作，并根據系統提示及時調整操作方法，線上完成實驗后通過系統提交報告；實驗報告合格后，且線上實驗預習成績合格后，方可進入真實實驗操作.

該實驗項目已面向我校物理、光電、材料等專業學生及研究生開放，已經過2個學期的教學實踐.通過對參與該實驗的學生和任課教師調查顯示，虛擬仿真實驗教學效果良好.學生們認為，通過虛擬仿真實驗，不僅可以更好地理解實驗原理，更重要地是在整個實驗過程可以全程模擬操作，有參與感和滿足感，學習的積極性和主動性獲得提高.任課教師則認為，通過虛擬仿真實驗教學，改善了傳統大型儀器實驗教學的諸多弊端，優化了實驗教學資源，提高了教學效率，促使學生成為實驗教學課堂上真正的主體，對激發學生的創新思維，培養創新型人才，具有重要的意義.

該項目在我校在線虛擬仿真實驗平臺中運行，平臺主要功能包含教學管理、在線仿真實驗、在線互動討論、在線資源評價、實驗數據管理、各實驗教學情況統計等.今后，該項目可推廣至全校學生，教師可依據平臺中的各項功能，對選修該實驗的學生進行數據分析，為下一步的教學改革提供數據支持.

5 結束語

本文對脈沖激光沉積鍍膜虛擬仿真實驗項目建設的必要性、建設思路、實驗方案的構建與實施、教學實踐等幾個方面做了闡述.通過該實驗項目的建設，加深了基礎實驗教學的深度，拓展了傳統教學的廣度，使更多的學生能夠更早地熟悉科學研究過程，提高學生對科研實驗的認知，培養學生的動手能力、科研思維和創新意識.虛擬仿真實驗教學具有旺盛的生命力，它的持續發展，未來可能在一定程度上顛覆傳統的教學理念和教學模式，并成為新時代教學改革的一個重要方向.