离子注入技术在大学研究型实验教学中的开展

任 峰，李美亚，蔡光旭，肖湘衡，赵新月，冯 辉

（武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430072）

1 引 言

高度重视并深化创新人才培养模式是创建研究型综合性开放式国际高水平大学的迫切需要，是建设创新型国家、培养一大批创新性人才并服务于国家社会经济发展的需要［1］.近年来，基于基础实验课程，开设研究型实验教学，已成大学实验教学改革的一项重要内容［2］.目的是要让大学生亲自接触到当前最新的科学研究前沿，激发学生的科研兴趣，发挥学生的主观能动性，培养基本科研素养和创新能力.当前随着我国国民经济的发展和综合实力的增强以及国家对科学研究资金的大力投入，国内大学纷纷采购了大批先进的大型科研仪器.如何利用好这些大型仪器，把它们用于大学生创新性实验教学和大学生创新能力的培养，发挥仪器的最大效益是当前大学研究型实验教学过程中遇到的一个重要课题.目前将大型仪器用于创新性研究型实验教学的主要困难有以下几点：1）部分大型仪器的管理教师认为仪器太贵重，担心在本科生实验教学过程中把仪器损坏.2）大型仪器所涉及的部分研究课题和方向过于复杂和深奥，大学生在短时间内无法理解掌握.针对这一教学现状，本文基于武汉大学物理学院多年教学实践经验，提出了如何有效地利用大型仪器进行大学研究型实验教学的见解.武汉大学物理科学与技术学院于2005年开始了创新性研究型物理实验的教学工作，开设了20多个研究型实验，经过长期的探索，积累了一定的教学经验.研究型物理实验教学内容由工作在科研一线的教师最新科研内容和成果转化而来，并在难度上作了适当调整，既保证了研究内容的前沿性又考虑到了大学生的知识水平情况.该课程为选修课，各学科专业学生可跨学科选修，课程以提高学生综合创新素质为主线，通过以学生为主，教师为辅的实验教学方法，培养学生的实践能力和科研能力.本文以离子注入制备抗菌抗雾自清洁玻璃研究实验为例，介绍武汉大学物理科学与技术学院开展研究型实验教学的过程.

2 实验内容设计

该创新性研究型实验教学的内容是用离子注入制备抗菌抗雾自清洁TiO2薄膜基玻璃并进行相关性能研究.离子注入技术是把某种元素的原子电离成离子，并使其在高压电场中加速，在获得高速能量后射入到放在真空室中的材料表面并与材料发生复杂的物理和化学相互作用的一种离子束技术.离子注入技术是一种重要的材料制备和表面改性技术，已广泛应用于半导体、金属、绝缘体等邻域.在半导体工艺技术中，离子注入可以获得理想的掺杂浓度和集成度，使电路的集成、速度、成品率和寿命大为提高，它与离子刻蚀、电子束曝光技术的结合，促使集成电路的生产进入了超大规模集成电路的新时代［3］.离子注入技术涉及的主要学科有凝聚态物理、物理化学、等离子体物理、真空技术、高压技术和加速器技术等.因此，利用此大型设备开展实验教学，对于增长学生的知识面、将物理学基本理论知识融会应用于实验研究都是很有帮助的.TiO2是一种宽禁带半导体材料，由于其氧化能力强、化学性质稳定、无毒、价格低廉以及高催化性能等优点，被认为是最有前途的光催化分解水产氢和光催化污染物治理半导体材料［4］.另外TiO2材料还用于太阳能电池、锂离子电池、气敏传感器等众多领域.因此，TiO2材料已成为近年来国际上纳米科学与技术研究领域的热点.抗菌抗雾自清洁TiO2薄膜基玻璃有着广泛的应用前景，如用于镜片、智能建筑玻璃、汽车玻璃等.选择这一紧密结合先进的纳米材料和实际生活应用的课题，既能激发学生的研究热情和兴趣，又能让学生掌握先进纳米科学与技术领域中的基本知识，培养他们的基本科学研究素养.另外，选择该课题也充分考虑到了课题本身的难度和学生现有的知识水平，同时又允许学生在实验后期调整实验方案进行自由探索.

3 实验过程

3.1 实验前期准备

TiO2薄膜的制备选用的衬底材料可以是普通钠钙硅玻璃、SiO2石英玻璃、FTO导电玻璃等.在离子注入前需要对衬底进行清洗.要求学生查找衬底的常规清洗方法，并动手进行操作.衬底依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗各15min，然后用氮气吹干.在教师指导下学生打开离子注入机真空室，装载样品，然后抽真空.让学生学习机械泵、分子泵的结构和工作原理，以及真空获取和操作规范等知识.

3.2 离子注入及退火

实验采用的离子注入机为成都同创材料表面新技术工程中心生产的金属蒸发真空弧离子源注入机.注入离子的加速电压为20kV，离子剂量为3×1017／cm2，样品台用循环水冷却.实验过程中，学生在前期对实验操作手册学习的基础上，在教师的指导下进行离子源的起弧、高压的加载和离子引出等操作，让学生了解等离子体产生和离子离化的相关原理.注入后样品切成1cm×1cm的多个小片，再在管式退火炉中氧气氛下500℃分别退火2h和4h.

3.3 样品表征

退火后样品用美国Varian公司生产的Cary5000型紫外-可见-近红外双光束分光光度计进行样品光吸收特性的测量，用荷兰FEI公司生产的Sirion型场发射扫描电镜进行样品表面形貌分析，用日本Horiba公司HR800型激光拉曼光谱仪进行样品的晶体结构分析.要求学生学习相关表征方法的基本原理，明确实验目的.

4 实验结果

图1是Ti离子注入钠钙硅玻璃退火前和退火2h及4h后样品的光学吸收谱.从图上可看出Ti离子注入后样品有很高的光吸收强度.这主要是因为注入后在样品中形成了大量Ti纳米颗粒引起了强光学吸收.同时，高剂量离子注入在衬底中也产生的大量缺陷也会导致较强的光吸收.样品退火后发现在可见光区域的光吸收强度明显下降，表明退火使得衬底内缺陷得到了恢复.同时在紫外区产生了明显的吸收边，对应为TiO2的吸收，表明退火后样品中形成了TiO2.

图1 离子注入后未退火样品及500℃退火2h，4h后样品的光学吸收谱

图2是样品退火2h和4h后的表面形貌SEM图.从图中可以看出样品退火2h后在其表面形成了大量TiO2纳米短棒，而退火4h后更多的Ti原子扩散到了样品表面，短棒逐渐生长变成较为致密的TiO2薄膜.Raman光谱测试显示形成的TiO2为锐钛矿结构.由此可以明确TiO2薄膜的以下生长机理：离子注入后在样品的浅表面富集了大量Ti，当样品在500℃下氧气氛中退火时，样品内的Ti就会逐渐扩散到表面并与氧反应生成TiO2.延长退火时间更多的Ti原子扩散到样品表面，形成的TiO2膜也就越致密.

图2 样品表面形貌SEM图

对样品的亲水性进行了测试，如图3所示.从图中可以看出空白玻璃的接触角为42.3°，不具备亲水性.退火2h后样品的接触角下降到3.3°，表现出良好的亲水性，因而具有抗起雾功能.样品表面的纳米短棒结构对样品的亲水性起重要作用，随着退火时间的延长TiO2薄膜变得致密，接触角升高到12.2°.对退火2h后样品进行了抗菌实验测试，结果表明相对于空白玻璃，覆盖TiO2薄膜后样品的抑制菌落生长率达到了90.5%，表现了良好的抗菌性能.

以上样品结构和性能表征过程中光学吸收谱、Raman光谱、接触角测试及抗菌性能的测试可由学生独立操作，要求学生掌握各种表征和性能测试的原理、方法和目的.实验后要对实验数据进行处理并对实验结果进行分析，明确TiO2薄膜生长的物理机理.需要指出的是学生在本实验的第一阶段结束后，可以提出自己的实验方案，如选用不同的衬底材料，改变注入离子的能量或剂量，选择不同的退火温度、时间等退火工艺，从而对形成的TiO2的形貌、结构、厚度等进行调控.因此，学生在实验的第二阶段有足够的自由研究和探索空间，可充分发挥他们的创新能力.

图3 样品接触角测试光学图像

5 结束语

研究型实验教学的开展是大学创新性人才培养的重要方式，这对培养学生的创新意识和实践能力具有重要意义.通过“离子注入制备抗菌抗雾自清洁玻璃研究”这一研究型实验的教学，使学生直接接触到了当前纳米科学技术研究领域的前沿，激发了他们的研究兴趣，培养了学生基本科学研究素养.同时使学生把学到的物理学基础知识融会贯通到一些新的前沿纳米科学知识中，扩展了其知识面.

［1］姚列明，霍中生，李业凤.研究性物理实验教学与创新型人才培养［J］.实验室研究与探索，2001，30（3）：124-127.

［2］解光勇，施卫，屈光辉.面向学生能力培养的大学物理实验教学探索与实践［J］.大学物理实验，2012，37（2）：106-109.

［3］张通和，吴瑜光.粒子束材料改性科学和应用［M］.北京：科学出版社，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.