利用科研實踐中“壞結果”的兩面性培養學生創新思維

孫浩亮 魏明

[摘 要] 在科研教學實踐中培養學生的創新思維、創新能力是一項重要任務，也是我國素質教育及萬眾創新的基本要求。文章利用事物的兩面性對科學實驗過程中的一些“壞結果”進行了辯證分析，換一個角度看待“壞結果”，使之變成科研創新的起點。這種方法在科研教學實踐中培養學生創新思維起到了良好的效果，為提升學生創新能力提供了不同的思路。

[關鍵詞] 辯證分析;科研實踐;“壞結果”;創新思維

[基金項目] 國家自然基金委——河南人才培養聯合基金（U1204521）;國家級大學生創業訓練項目（202010464013）

[作者簡介] 孫浩亮（1975—），男，遼寧人，工學博士，河南科技大學材料科學與工程學院副教授，研究方向為納米薄膜材料。

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

在科研教學實踐中培養學生的創新思維、創新能力是科研工作者的一個重要任務，也是我國素質教育、萬眾創新的基本要求。如何培養學生的創新思維、提升學生的創新能力，成為近幾年高校科研教學中教師關注的熱點話題。

一、薄膜表面長出了顆粒

在微電子器件領域目前已經進入銅互連時代，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，研究發現對純銅薄膜和銅合金薄膜進行退火后，在薄膜表面可能會析出一些不規則的丘凸，丘凸的出現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，生產和科研上都不希望丘凸出現，或者盡量采取各種方法避免丘凸出現。

在指導研究生進行銅合金微觀結構與性能研究的過程中，學生發現退火后銅合金薄膜表面出現了大量顆粒，急匆匆地來告訴我實驗失敗了，需要調整合金成分。我仔細查閱了實驗結果，發現薄膜表面出現的顆粒確實很多，其中很多是棱角分明的多面體顆粒，薄膜表面出現這些顆粒出乎我們的預料，同時薄膜表面出現這些顆粒意味著這個成分的合金薄膜確實不適合作為互連導線材料。但是，我沒有簡單地把這次實驗結果歸結為失敗的實驗，我告訴學生，從這個結果告訴我們目前的合金成分不適合作為集成電路互連導線材料，我們需要調整合金成分，但從另一個角度分析實驗結果，出現顆粒這個現象就可能變成好事。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用。目前通過傳統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，就會出現顆粒相互連接形成薄膜的現象。基于當前的研究現狀可以看出，雖然人們在實驗室內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的單分散顆粒或者許多顆粒團聚在一起，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，但是這種方法技術復雜，而且在去除模板的過程中容易對銅顆粒造成污染，因而也不適合產業化發展需求。綜上所述，可以看出現有的技術方法無法在薄膜表面生長與薄膜結合良好的銅顆粒，針對這一問題，我們在實驗中獲得的“壞結果”實際上提出了一種在薄膜表面自形成尺度可控并與薄膜結合良好的單分散微、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合的顆粒復合膜。學生聽完我的分析豁然開朗，沿著制備納米顆粒復合膜的思路做了一系列系統深入的研究，取得了具有一定創新性的好結果。相關科研結果已在國內外期刊上發表了科技論文，同時申請了國家技術發明專利，獲得的顆粒復合膜見圖1。

二、將金屬與單晶硅之間的擴散應用在太陽能電池制絨

近年來，為降低炭排放量，促進經濟健康、可持續發展，高效率、低成本單晶硅太陽能電池的研制及產業化受到了世界各國的高度重視，其應用也日益廣泛。然而，與傳統能源相比，目前單晶硅太陽能電池的生產成本依然略高，這限制了其在更多領域的普及應用。顯然，降低生產成本、提高太陽能電池光電轉化效率是影響其應用的關鍵技術問題，成為當前太陽能電池領域產業界和科學界關注的熱點問題。研究發現，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構是降低太陽能電池表面反射率、提高太陽能電池轉化效率的有效途徑。

從文獻及專利內容中可以看出，在太陽能電池表面形成絨面結構不僅可以降低表面的反射率，還可以在電池的內部形成光陷阱，從而顯著地提高太陽電池的轉換效率，是提高太陽能電池轉化效率的重要技術方法之一。目前，文獻和專利中報道的制備絨面方法主要包括化學堿液腐蝕法、機械刻槽以及激光刻槽等方法，每種方法的技術特點及其獲得的絨面結構均有所不同。堿溶液制絨法存在的主要問題是需要進一步提高絨面的一致性、均勻性，以及反應的可重復性等。機械刻槽法和激光刻槽法的特點是刻槽位置、尺度可控，但所刻槽的內表面往往起伏不平，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化效率和拓展其應用空間，探索能夠獲得高質量絨面結構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散，可以在銅與硅基底間沉積阻擋層阻止銅向硅中擴散形成化合物，同時改善銅薄膜與硅基底的結合強度。

通過對金屬薄膜與單晶硅基體之間的擴散行為進行深入分析，我們發現在特定條件下銅向硅中擴散是按照一定方向進行的，我指導研究生計劃利用這種擴散行為對單晶硅基體進行表面微結構改性。實驗中我們通過在單晶硅基體上沉積銅合金薄膜，然后進行退火處理，誘導銅原子按照一定方向向硅基體中擴散，在硅基體表面區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形槽絨面結構，見圖2，在提高太陽能電池的轉化效率上有潛在的應用前景。通過這個研究我們利用了銅與單晶硅擴散這個“不利”行為，認清其規律，將這種“不利”的擴散行為應用到太陽能單晶硅基體制絨結構獲得了良好的效果，相關結果已經獲得國家技術發明專利。

結論：

在材料研究領域特別是納米材料研究過程中，經常會出現不符合預期的不理想結果或者稱之為“壞結果”。事物都具有兩面性，從研究者既定的思路出發，實驗過程中出現這些“壞結果”無疑是失敗的實驗，換一個角度對這些“壞結果”進行分析，可能會發現這些不符合預期的“壞結果”可能正是其他研究領域渴望獲得的“好結果”。

參考文獻

[1]李煜凱.高等教育創新人才培養的新思路——基于中美比較的視角[J].中國高等教育評估，2016（3）：7-10.

[2]鄭確輝.聚焦素質教育培養創新人才[J].中國高等教育，2013（10）：22-24.

[3]梅瑞斌，包立，齊西偉，等.淺談以創新教育為目標的教學改革[J].教育教學論壇，2016（43）：90-91.

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