二次中性粒子质谱仪（SNMS）和原子力显微镜（AFM）在本科生创新实验中的作用

何 欢 杨文超

（1.广西大学材料科学与工程学院 广西南宁 530004 2.广西理工科学实验中心）

二次中性粒子质谱仪（SNMS）和原子力显微镜（AFM）在本科生创新实验中的作用

何 欢1、2杨文超1

（1.广西大学材料科学与工程学院 广西南宁 530004 2.广西理工科学实验中心）

目前为了培养本科生的创新实验能力，大部分高校针对本科生开设了创新实验项目，给本科生提供了创新实验的经费、师资、平台等必要条件。但目前绝大部分本科创新实验过程中的实验为入门实验，所使用的大型设备非常少，在提倡“科研与创新实践相结合”形势下，本文介绍了大型设备二次中性粒子质谱仪和原子力显微镜在本科创新实验中的作用。

创新实验；二次中性粒子质谱仪；原子力显微镜；大型设备应用

1 本科生创新实验的研究现状

随着社会的进步、经济的发展，“竞争”愈演愈烈。然而不论是市场、产品抑或是质量的竞争，归根结底离不开人才的竞争。如何培养出竞争力强的人才是教育发展中的重要议题。不论发达国家还是发展中国家，均把创新教育作为教育发展的主流。创新教育已经普遍受到世界各国的高度重视。高等院校作为培养大学生人才的重要基地，更是把培养学生的好奇心、求知欲、想象力、创造力作为贯穿教育始终的根本。高等院校的根本任务是教学与科研，目前国内大部分高校根据自己的实际情况，制定了一系列的调动学生积极性、主动性的措施提升学生的创新能力。为了进一步促进大学生创新能力的提升，教育部把大学生创新实践列为了创新型人才培养工作的一项重要改革措施。

很多高校本科生在顺利完成创新实践项目后可以申请创新实践学分，甚至有些高校把创新实践学分列为了必修学分。目前高校创新实验的形式多种多样，程序上一般由学生自由组成一个科研团队—填写项目申请—答辩—项目实施完成等。内容选择上一般有三种方式：①学生团队根据自己的兴趣独立自主选题；②教师安排学生参与自己的课题；③教师指导学生组建团队，在大课题范围内独立选题。创新试验的顺利进行对提升学生的好奇心、求知欲、想象力、创造力及创新能力有很大帮助。创新实验主要是要提升学生创新意识和创新能力的一项措施，目前创新实验的过程中也在一定问题：①学生基本功不足，独立选题完成项目的能力差。一般本科生大一、大二期间学习公共课较多，专业课一般在大三才刚开始接触，如果平时没有对专业领域的了解和对专业知识的积累，很难做到独立选题独立完成项目。如果缺乏了独立的思考，那么实验的创新性也就大打折扣，同时对于学生本人创新能力的培养也大大减弱。②学生本人勤奋和毅力等意志力不足。创新也许是一个意识、一个观念、一个灵感等，但是创新需要在知识的累积和创造，大学生本身参加活动较多，课程也较多，如果学生缺乏求知欲，缺少勤奋和毅力，仅仅是为了完成任务而去参与实验，那么这样的结果达不到创新的目的。③经费和实验条件受限。目前本科生采用的创新实验采用的都是基本的实验方法和简单的实验设备，经费和实验条件大大阻碍了学生利用高科技设备进行创新实验的积极性[1]。下文将针对大型设备二次中性粒子质谱仪和原子力显微镜进行简单的介绍，同时对它们能在本科生创新实验中发挥的作用做出说明。

2 二次中性粒子质谱仪（SNMS）的原理

二次中性粒子质谱仪（SNMS）是一种灵敏度非常高的表面分析仪器，是在二次离子质谱仪（SIMS）基础之上发展起来的，但二次中性粒子质谱仪不存在基体效应，因此它解决了二次离子质谱仪定量分析困难的缺点。SNMS一般由溅射、后继电离机构、引出装置以及质谱仪等部分构成。SNMS工作原理如下：在腔体内气体形成大量等离子体，同时添加一个附加电位在等离子体和样品之间，使得样品的电压负于等离子体，这样便形成一个电场，在电场引力的作用下，离子直接轰击到样品表面，使样品表面的原子、原子团等中性粒子溅射出来，由于质谱仪仅能检测离子，不能检测中性粒子，因此溅射出来的中性粒子随后先被电离成离子，再进入质谱仪进行检测。进一步可以得到样品表面的元素成分和浓度。该设备的另一项优点是该设备对样品的导电性能没有要求，即使绝缘体的样品也可进行测试[2]。

3 原子力显微镜（AFM）的原理

原子力显微镜（AFM）是在扫描隧道显微镜（STM）基础上发展起来的一种高精密表面分析测试设备。它的工作原理是基于扫描探针针尖与样品表面原子之间的原子间相互作用力（范德华力），因此测试时不受样品导电性的限制。AFM通过使用对微弱力非常敏感的弹性悬臂上的针尖对样品表面作光栅式扫描，当针尖距离样品表面非常近时针尖表面原子与样品表面的原子之间的相互作用力会使微悬臂发生微小的弹性形变。通过特殊设计的激光光路和检测器检测出微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小，而力的大小又与针尖和样品表面的距离密切相关。因此，在扫描过程中，通过反馈回路控制微悬臂形变量保持不变，或不使用反馈回路，保持针尖到样品的初始距离不变，然后检测扫描过程中探针的上下运动轨迹就可以获得样品表面的形貌。

4 SNMS和AFM在本科创新实验中的作用

本科生创新实验在高等院校中越来越受到广泛的关注，学校为本科生的创新实验投入越来越多的经费资助、师资投入、平台支持，学生对创新项目的申请也逐年增加，而大型精密分析测试设备对本科生的开放程度对创新项目得完成质量具有很大影响。

SNMS和AFM作为大型高端材料表面分析测试设备，在很多高校只为为科学研究服务。SNMS在分析材料的表面元素成分以及元素深度剖析等方面独具特色；AFM则在材料表面准3维形貌观察、微区力学和物理性能测定等方面有突出优点，两种设备的应用领域比较广泛，可用于材料工程、腐蚀、催化、磨损、微电子以及薄膜技术等领域[3]。这两种设备如果能用于本科创新实验中，那么将在很多方面对本科生实验创新能力的提升都有帮助：①学生在本科阶段便可接触到高精端大型科研设备，可培养学生对科研创新的兴趣；②培养学生对基础知识、理论的探索。使用本设备的同时，可引导激励学生对设备的工作原理等方面进行探索，进而学习补充对应的专业知识，在原理知识的基础上进行探索研究；③常见的材料腐蚀、催化、磨损现象都与材料表面状态密切相关，这两种设备的使用可满足学生在创新实验过程中对试样表面进行更为精确分析研究的需求，同时通过亲自参与数据采集，并结合所学专业课知识，学生对实验的结果分析将更为客观、正确，使其所学知识得到进一步深化、延伸。利用这两台设备，本学院一名2011级本科生就以结题审核结果为“优秀”的成绩完成了其主持广西大学实验和科技创新能力训练基金项目“薄膜的表面和界面”。

5 结语

科技的竞争归根结底是人才的竞争，人才的竞争离不开人才的培养，人才的培养依赖于知识的掌握、创新，知识的创新依赖于站在巨人的肩膀上，因此，充分利用高科技设备对人才的培养、科技的竞争是非常重要的。二次中性粒子质谱仪和原子力显微镜作为大型的高科技设备在本科生创新实验中可以发挥重要的作用，为人才的培养起到积极促进作用。

[1]杨文超，湛永钟.创新实验的反思与探索[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2013（35）：151～153.

[2]罗兴华.溅射中性粒子质谱（SNMS）[J].质谱学报，1986，3（7）：25～29.

[3]唐政清，丁力.溅射中性粒子质谱技术初探[J].真空科学与技术，1988，1（8）：18～25.

TH742

A

1004-7344（2016）15-0283-02

广西壮族自治区教育厅高校科项目（YB2014013）；广西理工科

2016-5-12

学实验中心（YXKT2014024）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2015JGZ108）。