二次中性粒子質譜儀（SNMS）和原子力顯微鏡（AFM）在本科生創新實驗中的作用

何 歡 楊文超

（1.廣西大學材料科學與工程學院 廣西南寧 530004 2.廣西理工科學實驗中心）

二次中性粒子質譜儀（SNMS）和原子力顯微鏡（AFM）在本科生創新實驗中的作用

何 歡1、2楊文超1

（1.廣西大學材料科學與工程學院 廣西南寧 530004 2.廣西理工科學實驗中心）

目前為了培養本科生的創新實驗能力，大部分高校針對本科生開設了創新實驗項目，給本科生提供了創新實驗的經費、師資、平臺等必要條件。但目前絕大部分本科創新實驗過程中的實驗為入門實驗，所使用的大型設備非常少，在提倡“科研與創新實踐相結合”形勢下，本文介紹了大型設備二次中性粒子質譜儀和原子力顯微鏡在本科創新實驗中的作用。

創新實驗；二次中性粒子質譜儀；原子力顯微鏡；大型設備應用

1 本科生創新實驗的研究現狀

隨著社會的進步、經濟的發展，“競爭”愈演愈烈。然而不論是市場、產品抑或是質量的競爭，歸根結底離不開人才的競爭。如何培養出競爭力強的人才是教育發展中的重要議題。不論發達國家還是發展中國家，均把創新教育作為教育發展的主流。創新教育已經普遍受到世界各國的高度重視。高等院校作為培養大學生人才的重要基地，更是把培養學生的好奇心、求知欲、想象力、創造力作為貫穿教育始終的根本。高等院校的根本任務是教學與科研，目前國內大部分高校根據自己的實際情況，制定了一系列的調動學生積極性、主動性的措施提升學生的創新能力。為了進一步促進大學生創新能力的提升，教育部把大學生創新實踐列為了創新型人才培養工作的一項重要改革措施。

很多高校本科生在順利完成創新實踐項目后可以申請創新實踐學分，甚至有些高校把創新實踐學分列為了必修學分。目前高校創新實驗的形式多種多樣，程序上一般由學生自由組成一個科研團隊—填寫項目申請—答辯—項目實施完成等。內容選擇上一般有三種方式：①學生團隊根據自己的興趣獨立自主選題；②教師安排學生參與自己的課題；③教師指導學生組建團隊，在大課題范圍內獨立選題。創新試驗的順利進行對提升學生的好奇心、求知欲、想象力、創造力及創新能力有很大幫助。創新實驗主要是要提升學生創新意識和創新能力的一項措施，目前創新實驗的過程中也在一定問題：①學生基本功不足，獨立選題完成項目的能力差。一般本科生大一、大二期間學習公共課較多，專業課一般在大三才剛開始接觸，如果平時沒有對專業領域的了解和對專業知識的積累，很難做到獨立選題獨立完成項目。如果缺乏了獨立的思考，那么實驗的創新性也就大打折扣，同時對于學生本人創新能力的培養也大大減弱。②學生本人勤奮和毅力等意志力不足。創新也許是一個意識、一個觀念、一個靈感等，但是創新需要在知識的累積和創造，大學生本身參加活動較多，課程也較多，如果學生缺乏求知欲，缺少勤奮和毅力，僅僅是為了完成任務而去參與實驗，那么這樣的結果達不到創新的目的。③經費和實驗條件受限。目前本科生采用的創新實驗采用的都是基本的實驗方法和簡單的實驗設備，經費和實驗條件大大阻礙了學生利用高科技設備進行創新實驗的積極性[1]。下文將針對大型設備二次中性粒子質譜儀和原子力顯微鏡進行簡單的介紹，同時對它們能在本科生創新實驗中發揮的作用做出說明。

2 二次中性粒子質譜儀（SNMS）的原理

二次中性粒子質譜儀（SNMS）是一種靈敏度非常高的表面分析儀器，是在二次離子質譜儀（SIMS）基礎之上發展起來的，但二次中性粒子質譜儀不存在基體效應，因此它解決了二次離子質譜儀定量分析困難的缺點。SNMS一般由濺射、后繼電離機構、引出裝置以及質譜儀等部分構成。SNMS工作原理如下：在腔體內氣體形成大量等離子體，同時添加一個附加電位在等離子體和樣品之間，使得樣品的電壓負于等離子體，這樣便形成一個電場，在電場引力的作用下，離子直接轟擊到樣品表面，使樣品表面的原子、原子團等中性粒子濺射出來，由于質譜儀僅能檢測離子，不能檢測中性粒子，因此濺射出來的中性粒子隨后先被電離成離子，再進入質譜儀進行檢測。進一步可以得到樣品表面的元素成分和濃度。該設備的另一項優點是該設備對樣品的導電性能沒有要求，即使絕緣體的樣品也可進行測試[2]。

3 原子力顯微鏡（AFM）的原理

原子力顯微鏡（AFM）是在掃描隧道顯微鏡（STM）基礎上發展起來的一種高精密表面分析測試設備。它的工作原理是基于掃描探針針尖與樣品表面原子之間的原子間相互作用力（范德華力），因此測試時不受樣品導電性的限制。AFM通過使用對微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對樣品表面作光柵式掃描，當針尖距離樣品表面非常近時針尖表面原子與樣品表面的原子之間的相互作用力會使微懸臂發生微小的彈性形變。通過特殊設計的激光光路和檢測器檢測出微懸臂形變量的大小，就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小，而力的大小又與針尖和樣品表面的距離密切相關。因此，在掃描過程中，通過反饋回路控制微懸臂形變量保持不變，或不使用反饋回路，保持針尖到樣品的初始距離不變，然后檢測掃描過程中探針的上下運動軌跡就可以獲得樣品表面的形貌。

4 SNMS和AFM在本科創新實驗中的作用

本科生創新實驗在高等院校中越來越受到廣泛的關注，學校為本科生的創新實驗投入越來越多的經費資助、師資投入、平臺支持，學生對創新項目的申請也逐年增加，而大型精密分析測試設備對本科生的開放程度對創新項目得完成質量具有很大影響。

SNMS和AFM作為大型高端材料表面分析測試設備，在很多高校只為為科學研究服務。SNMS在分析材料的表面元素成分以及元素深度剖析等方面獨具特色；AFM則在材料表面準3維形貌觀察、微區力學和物理性能測定等方面有突出優點，兩種設備的應用領域比較廣泛，可用于材料工程、腐蝕、催化、磨損、微電子以及薄膜技術等領域[3]。這兩種設備如果能用于本科創新實驗中，那么將在很多方面對本科生實驗創新能力的提升都有幫助：①學生在本科階段便可接觸到高精端大型科研設備，可培養學生對科研創新的興趣；②培養學生對基礎知識、理論的探索。使用本設備的同時，可引導激勵學生對設備的工作原理等方面進行探索，進而學習補充對應的專業知識，在原理知識的基礎上進行探索研究；③常見的材料腐蝕、催化、磨損現象都與材料表面狀態密切相關，這兩種設備的使用可滿足學生在創新實驗過程中對試樣表面進行更為精確分析研究的需求，同時通過親自參與數據采集，并結合所學專業課知識，學生對實驗的結果分析將更為客觀、正確，使其所學知識得到進一步深化、延伸。利用這兩臺設備，本學院一名2011級本科生就以結題審核結果為“優秀”的成績完成了其主持廣西大學實驗和科技創新能力訓練基金項目“薄膜的表面和界面”。

5 結語

科技的競爭歸根結底是人才的競爭，人才的競爭離不開人才的培養，人才的培養依賴于知識的掌握、創新，知識的創新依賴于站在巨人的肩膀上，因此，充分利用高科技設備對人才的培養、科技的競爭是非常重要的。二次中性粒子質譜儀和原子力顯微鏡作為大型的高科技設備在本科生創新實驗中可以發揮重要的作用，為人才的培養起到積極促進作用。

[1]楊文超，湛永鐘.創新實驗的反思與探索[J].廣西大學學報（哲學社會科學版），2013（35）：151～153.

[2]羅興華.濺射中性粒子質譜（SNMS）[J].質譜學報，1986，3（7）：25～29.

[3]唐政清，丁力.濺射中性粒子質譜技術初探[J].真空科學與技術，1988，1（8）：18～25.

TH742

A

1004-7344（2016）15-0283-02

廣西壯族自治區教育廳高校科項目（YB2014013）；廣西理工科

2016-5-12

學實驗中心（YXKT2014024）；廣西高等教育本科教學改革工程項目（2015JGZ108）。