聚焦離子束系統虛擬仿真實驗項目的建設與教學

張朋波，張映輝，付 姚，陳寶玖，劉開穎，劉 偉，殷 燕，李香萍，夏文文，邢明銘，盛德元，張秋紅，薛曉紅

(大連海事大學 理學院，遼寧 大連 116026)

物理實驗是現代技術和科學實驗的先驅，在現代技術發展中一直起著獨特的先導作用。物理實驗課程是高等學校理工科類對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端[1-4]。目前，聚焦離子束系統是一種高精度微納加工儀器，因具有制樣簡單、放大倍數可調范圍寬、圖像的分辨率高、景深大等特點，已廣泛用于物理學、電子學、材料科學、半導體、電子科學與技術、生物醫學等相關學科領域[5-7]。但聚焦離子束系統實驗設備技術精密、造價昂貴，運行成本高，操作難度大，幾乎無法直接應用本科教學實驗。隨著信息技術和互聯網技術的發展，虛擬仿真實驗為許多很難開展且重要的基礎性、專業性的實驗項目提供了很好地補充[8-10]。聚焦離子束系統仿真實驗本著“能實不虛”的原則，可以解決各院校因缺乏或沒有實驗設備而不能開展聚焦離子束系統實驗的現實問題。本項目利用計算機3D仿真技術設計了聚焦離子束系統虛擬仿真實驗平臺，能夠開展樣品制備和裝載、掃描電子顯微鏡觀測、離子束刻蝕和沉積、圖像采集和處理等系列實驗項目的規?；虒W。該仿真實驗場景和過程真實、可操作性強，能夠讓學生模擬聚焦離子束刻蝕和沉積以及實時觀測樣品等實驗過程，進一步理解其工作原理和技術特性。

1 實驗項目的基本情況

1.1 實驗目的

(1)理解聚焦離子束系統的基本結構和工作原理；

(2)理解電子束與固體樣品作用產生的信號在測試分析中的作用；

(3)熟悉掃描電鏡的參數設置、操作流程，觀測和分析；

(4)熟悉離子束刻蝕和沉積的技術特性。

1.2 實驗儀器設備

計算機，聚焦離子束系統虛擬仿真實驗軟件，具體包括：聚焦離子束系統、控制系統軟件、真空系統、手動操作盤和工具箱。

1.3 實驗教學方法

聚焦離子束系統實驗采用學生自主學習和教師指導答疑相結合的教學模式。虛擬仿真實驗平臺提供在線演示視頻、實驗原理、實驗內容及相關要求的介紹。學生進入聚焦離子束系統實驗的虛擬環境后，通過預習內容和系統提示，獨立完成實驗操作和觀測。學生可反復進入實驗操作，理解實驗原理、體驗實驗過程，完成樣品制備和裝載、掃描電鏡觀測和離子束刻蝕沉積等實驗內容。虛擬仿真實驗平臺能夠反饋學生的學習時長，進行大數據統計分析。同時，通過實驗平臺的交互討論、教師答疑，對學生疑問進行解答。具體的教學方法如下：

(1)引導教學。教師提出實驗內容和要求，學生自主學習，教師指導答疑，引導學生進入實驗場景，完成相關實驗任務，提升學生分析問題和解決問題的能力。以掃描電鏡觀測樣品實驗為例，實驗內容是觀測不同放大倍數下的樣品圖像，要求學生保存4個指定放大倍數的樣品圖像，其中兩個放大倍數需要通過手動操作盤來調節完成。以離子束沉積實驗為例，選擇給沉積物質加熱時需要先暫停離子束窗口并關閉離子束，加熱完成后將沉積物質釋放出來，然后再打開離子束，點擊沉積按鈕，最后點擊掃描窗口，觀測沉積結果。實驗過程中學生經常遇到的問題有：1)忘記暫停離子束窗口和關閉離子束，就去加熱沉積物質，結果無法操作和操作無效。2)沒有釋放加熱的沉積物質就去沉積，掃描后發現沒有沉積圖案。

(2)互動教學。在教師與學生互動環節，教師提出探索性題目，供學生進一步自主探索研究。例如，探索性題目1,針對電鏡觀測樣品實驗，提出如何觀測樣品指定坐標位置區域的表面形貌，具體參數為x=2.0 mm,y=1.0 mm，讓學生去嘗試。探索性題目2，針對離子束刻蝕實驗，提出如何用更大的放大倍數去觀測指定區域的刻蝕效果是否精準，能否滿足預設要求。通過學生自主探索研究，激發學生的探索精神。

1.4 實驗方法和操作步驟要求

1.4.1 實驗方法

(1)實現了分段模擬實驗。該仿真實驗將真實實驗中涉及的主要實驗內容模塊化建模，提供了運用聚焦離子束系統進行相關科學實驗的模擬步驟和實際景象，能實現樣品制備、掃描電鏡觀測、離子束刻蝕沉積等實驗功能的分段模擬實驗和自學。

(2)實驗參數設計靈活合理。例如：在刻蝕和沉積功能模塊，可以設置不同的刻蝕或沉積區域、形狀和深度；刻蝕和沉積有多種物質可選。在電鏡高分辨率掃描模塊，可以輸入不同的電壓和電流參數，掃描比例展示真實。

1.4.2 學生交互性操作步驟

首先進入實驗場景主窗體，檢查各項實驗項目儀器，如圖1所示。

(1)制備樣品

①打開工具箱，取出樣品托和樣品支架，并用螺絲刀固定；

②點擊導電膠，粘貼到樣品托支架上；

③將樣品放到樣品支架上，用導電膠粘貼到樣品上面，完成樣品制備。

(2)裝載樣品和抽真空

①在中間顯示屏上打開控制系統軟件，點擊Vent按鈕，給樣品室充入氮氣，待氣壓達到常壓時打開樣品腔；

②將樣品放到樣品腔的樣品臺上，點擊“固定樣品”按鈕，用螺絲刀固定；

③抽真空，點擊真空控制欄中的pump，開始抽氣，控制欄中右下方有樣品腔內壓強變化的顯示框，直到樣品腔內真空度達到實驗要求。

(3)掃描電子顯微鏡觀測樣品

①在控制欄中選擇電子束掃描，點擊“Beam ON”按鈕打開電子束，按鈕會變成黃色，然后在控制欄中點擊Pause按鈕，激活電子束掃描窗口，開始掃描；

②根據樣品材料特性選擇合適的電流和電壓，如Cu樣品，電壓為10 kV、電流為100 pA；

③調節亮度、對比度和自動聚焦按鈕，將掃描到的圖像調節清晰；

④點擊菜單欄中的“Link”圖標，同步樣品臺的高度參數，在控制欄中設置樣品臺高度Z為4 mm，點擊goto；

⑤通過手動調節放大倍率旋鈕，按上述步驟重新將掃描圖像調整清晰，保存掃描圖像照片。

(4)離子束刻蝕

①選擇離子束掃描，點擊“Beam On”按鈕開啟離子束，將樣品臺高度Z調為4 mm，點擊goto；將樣品臺傾斜角度T調為52°，點擊goto；

②選擇離子束參數(如電壓30 kV電流800 pA)，在掃描圖像中找準刻蝕位置，暫停離子束掃描窗口，選擇刻蝕的形狀，如矩形、圓形和線形，設置尺寸大小等參數；

③啟動掃描窗口，點擊刻蝕按鈕開始刻蝕，刻蝕完成后，點擊Delete鍵，刪除刻蝕形狀；

④觀測刻蝕圖像，可以局部放大觀測，滿足要求后保存刻蝕圖案。完成實驗后，關閉離子束，將樣品臺傾斜角度T調回水平，高度Z調回0。

(5)離子束沉積

①點擊“Beam On”按鈕開啟離子束，將樣品臺高度調為4 mm，樣品臺角度T調至52°，找準沉積位置，暫停離子束掃描窗口；

②設置沉積形狀和尺寸等參數，根據樣品材料選擇沉積物質，如Wdep，在控制欄中找個所選沉積物質；

③右擊點擊“Warm”按鈕開始加熱，然后打開加熱氣體，待樣品室壓強不變表示氣體釋放完成；

④開啟離子束，點擊沉積按鈕，進行誘導沉積；

⑤沉積后，打開掃描窗口，快速掃一幀，觀測樣品沉積是否滿足要求，滿足要求后，觀察保存沉積圖案。完成實驗后，關閉氣體和離子束，將樣品臺傾斜角度T調回水平，高度Z調回0。

圖1 聚焦離子束系統虛擬仿真實驗：場景和窗口、電鏡觀測樣品、離子束刻蝕和沉積圖案

2 實驗項目的開展條件和網絡情況

該實驗可以通過國家級虛擬仿真實驗項目平臺“實驗空間”訪問，實驗空間網址：www.ilab-x.com。用戶只需一臺電腦并連接網絡，注冊登錄后，按提示便可進行實驗，最后完成實驗報告并提交系統。

3 實驗教學項目的特色

3.1 實驗方案設計思路

該虛擬仿真實驗從學習者的一般實驗能力(經驗)和認知過程(能力)出發，將聚焦離子束系統所具備的樣品制備、掃描電子顯微鏡觀測和離子束刻蝕沉積三大功能，以及相應的實驗過程(步驟)、實驗景象和結果一一展示給學習者，旨在幫助他們熟悉運用聚焦離子束系統的操作流程和注意事項，幫助他們了解相關實驗的真實景象，為真實實驗做準備，或以虛代實略過真實實驗。并進而加深對離子束或電子束與物質相互作用理論的理解，加深對電子掃描顯微鏡觀測技術、離子束刻蝕沉積技術的學習和理解。聚焦離子束系統實驗主要包括五個內容：

(1)樣品裝載，抽真空。掌握裝載和抽真空的方法和操作流程。

(2)樣品制備。掌握制備的操作流程和注意事項。

(3)掃描電子顯微鏡觀測樣品、參數設置、圖像調整和處理。理解電子束與固體樣品作用機理以及其產生的信號在測試分析中的作用，掌握掃描電子顯微鏡觀測樣品的實驗方法、技巧和操作規程，研究電子束束流大小、圖像放大倍數等參數對觀測圖像的影響規律，掃描電子顯微鏡觀測的技術特性。

(4)離子束刻蝕、參數設置，圖像調整和處理。理解離子束與固體樣品作用機理、聚焦離子束系統的基本結構和工作原理，掌握離子束束流、刻蝕形狀尺寸等參數的設置技巧，研究離子束刻蝕的技術特性。

(5)離子束沉積，沉積圖像調整與分析。理解離子束誘導沉積的工作原理，掌握離子束束流、沉積形狀尺寸、沉積物質等參數的設置，研究離子束束流大小對刻蝕圖案的影響規律、離子束刻蝕的技術特性。

3.2 教學方法創新

教學方式采用開放選做模式。本虛擬仿真實驗設計立足于本科教學，將科研設備融入到本科教學中，體現了以學生為中心的教學理念。學生可以在具有一定自由度的情況下主導實驗過程，增強學生對知識的獲取興趣和能力，有計劃地培養學生的自學能力。在整個實驗過程中結合指導教師的引導，教學引導視頻和實驗步驟，可以極大地啟發學生創新意識；通過實驗參數設置的合理性要求，培養學生發現問題、解決問題的能力，激發學生探索和求知的欲望。

學生在本科學習階段能夠接觸、了解高端科研的過程，理解電鏡和離子束刻蝕沉積的工作原理，有助于學生以后的讀研深造或日后從事相關的工作。此外，平臺開設了網上論壇，具有實驗過程實時評價功能，對參加實驗學生各方面的建議、評價與反饋信息，進行系統的統計分析，為實驗內容的改進和平臺功能的完善提供參考，不斷優化，實現了學生與教師間的良好互動。

本虛擬仿真實驗項目即是對傳統教學方式的突破，又是對傳統教學方式的有效補充，能夠實現量大面廣的實驗教學。

3.3 對傳統教學的延伸與拓展

本虛擬仿真實驗取材于真實實驗，提供了運用聚焦離子束系統進行相關科學實驗的過程和實際景象，能實現樣品制備和裝載、電鏡觀測、刻蝕和沉積等各個實驗功能的分段模擬教學和自學。滿足不同層次人員的學習需求。

本虛擬仿真實驗項目教學相對傳統教學具有如下明顯優勢：1)能夠實現在無真實設備的工科院校開展聚焦離子束實驗。2)可使高額成本運行的實驗實現多人同時在線運行操作，解決了單個實驗設備無法進行普及教學的難題。3)在仿真實驗中可反復練習，極大降低了實驗成本，訓練學生的科學實驗素養。4)能夠解決無法系統了解聚焦離子束系統實驗的難題，培養創新人才。

3.4 考核要求與評價

學生能按照仿真平臺資源中的實驗操作步驟和教學引導視頻，在虛擬實驗場景中獨立完成相關實驗內容、記錄相關實驗數據和實驗現象，保存圖像和數據分析，給出掃描電鏡觀測、離子束刻蝕和沉積的參數和結果圖像，在此基礎上完成實驗報告并提交系統。仿真實驗平臺將從實驗預習、實驗操作過程、實驗結果、實驗報告四方面考核和評價學生的學習成績。實驗報告總分100分，具體考核比例：實驗預習(15%)、實驗操作(40%)、實驗結果(15%)和實驗報告(30%)。在虛擬實驗軟件后臺，將自動記錄學生的操作情況，并根據系統預設參考數據評定實驗是結果，自動給出考核結果，按得分情況確定“優秀、達標(合格)，不達標”3個檔次，如圖2所示，“實驗空間”網站中本實驗項目使用情況和訪問的大數據[11]。

圖2 聚焦離子束系統虛擬仿真實驗項目實驗情況統計數據

4 實驗項目的應用與教學效果

聚焦離子束系統虛擬仿真實驗在設計和制作完成后，便投入到我校大學物理實驗課程教學中。目前，該虛擬仿真實驗教學項目已納入我?！洞髮W物理實驗》課程教學計劃，并面向應用物理學、材料、電子信息工程、光電信息科學與工程和電子信息科學與技術等33個本科專業開放教學，受到了廣大師生的好評，是學生搶先選擇的實驗項目。本實驗項目已通過“實驗空間”網站向學校及社會開放訪問及使用[12]，如圖2所示，本實驗項目瀏覽量達到了47 887人次，做實驗人數達到了3 129人，其中優秀2 598人，取得了很好的推廣應用效果。特別是2020年肺炎疫情期間，在無法開展線下實驗教學的情況下，該仿真實驗能夠遠程線上進行，成為大學物理實驗課程開展線在實驗教學的首選項目之一。計算機3D仿真技術讓學生在虛擬場景中完成聚焦離子束系統實驗，了解聚焦離子束的工作原理，讓學生體會到模擬制備樣品、電鏡觀測、離子束刻蝕和沉積，圖像處理的樂趣，拓展了學生的視野，取得了良好的教學效果。

聚焦離子束系統虛擬仿真實驗已獲評國家級虛擬仿真實驗教學一流課程，面向全校及社會開放，為師生自主學習、開拓視野提供學習平臺。目前，該仿真實驗已經推廣到一些院校的實驗教學中，并在持續推廣中。該實驗項目一直在不斷改進中，不斷擴展實驗功能，完善仿真教學資源，升級虛擬仿真管理和運行平臺，力爭成為大多工科院校中“大學物理實驗”課程的一個實驗項目。