離子注入技術(shù)在大學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的開展

任 峰，李美亞，蔡光旭，肖湘衡，趙新月，馮 輝

（武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072）

1 引 言

高度重視并深化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式是創(chuàng)建研究型綜合性開放式國際高水平大學(xué)的迫切需要，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、培養(yǎng)一大批創(chuàng)新性人才并服務(wù)于國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要［1］.近年來，基于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，開設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已成大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容［2］.目的是要讓大學(xué)生親自接觸到當(dāng)前最新的科學(xué)研究前沿，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)基本科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.當(dāng)前隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合實(shí)力的增強(qiáng)以及國家對科學(xué)研究資金的大力投入，國內(nèi)大學(xué)紛紛采購了大批先進(jìn)的大型科研儀器.如何利用好這些大型儀器，把它們用于大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，發(fā)揮儀器的最大效益是當(dāng)前大學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的一個重要課題.目前將大型儀器用于創(chuàng)新性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要困難有以下幾點(diǎn)：1）部分大型儀器的管理教師認(rèn)為儀器太貴重，擔(dān)心在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中把儀器損壞.2）大型儀器所涉及的部分研究課題和方向過于復(fù)雜和深奧，大學(xué)生在短時間內(nèi)無法理解掌握.針對這一教學(xué)現(xiàn)狀，本文基于武漢大學(xué)物理學(xué)院多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了如何有效地利用大型儀器進(jìn)行大學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的見解.武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于2005年開始了創(chuàng)新性研究型物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，開設(shè)了20多個研究型實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過長期的探索，積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn).研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容由工作在科研一線的教師最新科研內(nèi)容和成果轉(zhuǎn)化而來，并在難度上作了適當(dāng)調(diào)整，既保證了研究內(nèi)容的前沿性又考慮到了大學(xué)生的知識水平情況.該課程為選修課，各學(xué)科專業(yè)學(xué)生可跨學(xué)科選修，課程以提高學(xué)生綜合創(chuàng)新素質(zhì)為主線，通過以學(xué)生為主，教師為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科研能力.本文以離子注入制備抗菌抗霧自清潔玻璃研究實(shí)驗(yàn)為例，介紹武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

該創(chuàng)新性研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容是用離子注入制備抗菌抗霧自清潔TiO2薄膜基玻璃并進(jìn)行相關(guān)性能研究.離子注入技術(shù)是把某種元素的原子電離成離子，并使其在高壓電場中加速，在獲得高速能量后射入到放在真空室中的材料表面并與材料發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)相互作用的一種離子束技術(shù).離子注入技術(shù)是一種重要的材料制備和表面改性技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬、絕緣體等鄰域.在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，離子注入可以獲得理想的摻雜濃度和集成度，使電路的集成、速度、成品率和壽命大為提高，它與離子刻蝕、電子束曝光技術(shù)的結(jié)合，促使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路的新時代［3］.離子注入技術(shù)涉及的主要學(xué)科有凝聚態(tài)物理、物理化學(xué)、等離子體物理、真空技術(shù)、高壓技術(shù)和加速器技術(shù)等.因此，利用此大型設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對于增長學(xué)生的知識面、將物理學(xué)基本理論知識融會應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究都是很有幫助的.TiO2是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于其氧化能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、價(jià)格低廉以及高催化性能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的光催化分解水產(chǎn)氫和光催化污染物治理半導(dǎo)體材料［4］.另外TiO2材料還用于太陽能電池、鋰離子電池、氣敏傳感器等眾多領(lǐng)域.因此，TiO2材料已成為近年來國際上納米科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn).抗菌抗霧自清潔TiO2薄膜基玻璃有著廣泛的應(yīng)用前景，如用于鏡片、智能建筑玻璃、汽車玻璃等.選擇這一緊密結(jié)合先進(jìn)的納米材料和實(shí)際生活應(yīng)用的課題，既能激發(fā)學(xué)生的研究熱情和興趣，又能讓學(xué)生掌握先進(jìn)納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中的基本知識，培養(yǎng)他們的基本科學(xué)研究素養(yǎng).另外，選擇該課題也充分考慮到了課題本身的難度和學(xué)生現(xiàn)有的知識水平，同時又允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后期調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行自由探索.

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

TiO2薄膜的制備選用的襯底材料可以是普通鈉鈣硅玻璃、SiO2石英玻璃、FTO導(dǎo)電玻璃等.在離子注入前需要對襯底進(jìn)行清洗.要求學(xué)生查找襯底的常規(guī)清洗方法，并動手進(jìn)行操作.襯底依次經(jīng)過丙酮、酒精、去離子水超聲清洗各15min，然后用氮?dú)獯蹈?在教師指導(dǎo)下學(xué)生打開離子注入機(jī)真空室，裝載樣品，然后抽真空.讓學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械泵、分子泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及真空獲取和操作規(guī)范等知識.

3.2 離子注入及退火

實(shí)驗(yàn)采用的離子注入機(jī)為成都同創(chuàng)材料表面新技術(shù)工程中心生產(chǎn)的金屬蒸發(fā)真空弧離子源注入機(jī).注入離子的加速電壓為20kV，離子劑量為3×1017／cm2，樣品臺用循環(huán)水冷卻.實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在前期對實(shí)驗(yàn)操作手冊學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行離子源的起弧、高壓的加載和離子引出等操作，讓學(xué)生了解等離子體產(chǎn)生和離子離化的相關(guān)原理.注入后樣品切成1cm×1cm的多個小片，再在管式退火爐中氧氣氛下500℃分別退火2h和4h.

3.3 樣品表征

退火后樣品用美國Varian公司生產(chǎn)的Cary5000型紫外-可見-近紅外雙光束分光光度計(jì)進(jìn)行樣品光吸收特性的測量，用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Sirion型場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行樣品表面形貌分析，用日本Horiba公司HR800型激光拉曼光譜儀進(jìn)行樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析.要求學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)表征方法的基本原理，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1是Ti離子注入鈉鈣硅玻璃退火前和退火2h及4h后樣品的光學(xué)吸收譜.從圖上可看出Ti離子注入后樣品有很高的光吸收強(qiáng)度.這主要是因?yàn)樽⑷牒笤跇悠分行纬闪舜罅縏i納米顆粒引起了強(qiáng)光學(xué)吸收.同時，高劑量離子注入在襯底中也產(chǎn)生的大量缺陷也會導(dǎo)致較強(qiáng)的光吸收.樣品退火后發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)域的光吸收強(qiáng)度明顯下降，表明退火使得襯底內(nèi)缺陷得到了恢復(fù).同時在紫外區(qū)產(chǎn)生了明顯的吸收邊，對應(yīng)為TiO2的吸收，表明退火后樣品中形成了TiO2.

圖1 離子注入后未退火樣品及500℃退火2h，4h后樣品的光學(xué)吸收譜

圖2是樣品退火2h和4h后的表面形貌SEM圖.從圖中可以看出樣品退火2h后在其表面形成了大量TiO2納米短棒，而退火4h后更多的Ti原子擴(kuò)散到了樣品表面，短棒逐漸生長變成較為致密的TiO2薄膜.Raman光譜測試顯示形成的TiO2為銳鈦礦結(jié)構(gòu).由此可以明確TiO2薄膜的以下生長機(jī)理：離子注入后在樣品的淺表面富集了大量Ti，當(dāng)樣品在500℃下氧氣氛中退火時，樣品內(nèi)的Ti就會逐漸擴(kuò)散到表面并與氧反應(yīng)生成TiO2.延長退火時間更多的Ti原子擴(kuò)散到樣品表面，形成的TiO2膜也就越致密.

圖2 樣品表面形貌SEM圖

對樣品的親水性進(jìn)行了測試，如圖3所示.從圖中可以看出空白玻璃的接觸角為42.3°，不具備親水性.退火2h后樣品的接觸角下降到3.3°，表現(xiàn)出良好的親水性，因而具有抗起霧功能.樣品表面的納米短棒結(jié)構(gòu)對樣品的親水性起重要作用，隨著退火時間的延長TiO2薄膜變得致密，接觸角升高到12.2°.對退火2h后樣品進(jìn)行了抗菌實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明相對于空白玻璃，覆蓋TiO2薄膜后樣品的抑制菌落生長率達(dá)到了90.5%，表現(xiàn)了良好的抗菌性能.

以上樣品結(jié)構(gòu)和性能表征過程中光學(xué)吸收譜、Raman光譜、接觸角測試及抗菌性能的測試可由學(xué)生獨(dú)立操作，要求學(xué)生掌握各種表征和性能測試的原理、方法和目的.實(shí)驗(yàn)后要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，明確TiO2薄膜生長的物理機(jī)理.需要指出的是學(xué)生在本實(shí)驗(yàn)的第一階段結(jié)束后，可以提出自己的實(shí)驗(yàn)方案，如選用不同的襯底材料，改變注入離子的能量或劑量，選擇不同的退火溫度、時間等退火工藝，從而對形成的TiO2的形貌、結(jié)構(gòu)、厚度等進(jìn)行調(diào)控.因此，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的第二階段有足夠的自由研究和探索空間，可充分發(fā)揮他們的創(chuàng)新能力.

圖3 樣品接觸角測試光學(xué)圖像

5 結(jié)束語

研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展是大學(xué)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的重要方式，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力具有重要意義.通過“離子注入制備抗菌抗霧自清潔玻璃研究”這一研究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，使學(xué)生直接接觸到了當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的前沿，激發(fā)了他們的研究興趣，培養(yǎng)了學(xué)生基本科學(xué)研究素養(yǎng).同時使學(xué)生把學(xué)到的物理學(xué)基礎(chǔ)知識融會貫通到一些新的前沿納米科學(xué)知識中，擴(kuò)展了其知識面.

［1］姚列明，霍中生，李業(yè)鳳.研究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2001，30（3）：124-127.

［2］解光勇，施衛(wèi)，屈光輝.面向?qū)W生能力培養(yǎng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，37（2）：106-109.

［3］張通和，吳瑜光.粒子束材料改性科學(xué)和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

［4］Ren F，Zhou X D，Liu Y C，et al.Fabrication and properties of TiO2nanofilms on different substrates by a novel and universal method of Ti-ion implantation and subsequent annealing ［J］.Nanotechnology，2013，24：255603.