利用科研实践中“坏结果”的两面性培养学生创新思维

孙浩亮 魏明

[摘 要] 在科研教学实践中培养学生的创新思维、创新能力是一项重要任务，也是我国素质教育及万众创新的基本要求。文章利用事物的两面性对科学实验过程中的一些“坏结果”进行了辩证分析，换一个角度看待“坏结果”，使之变成科研创新的起点。这种方法在科研教学实践中培养学生创新思维起到了良好的效果，为提升学生创新能力提供了不同的思路。

[关键词] 辩证分析;科研实践;“坏结果”;创新思维

[基金项目] 国家自然基金委——河南人才培养联合基金（U1204521）;国家级大学生创业训练项目（202010464013）

[作者简介] 孙浩亮（1975—），男，辽宁人，工学博士，河南科技大学材料科学与工程学院副教授，研究方向为纳米薄膜材料。

[中图分类号] G640    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）42-0135-02    [收稿日期] 2019-03-07

在科研教学实践中培养学生的创新思维、创新能力是科研工作者的一个重要任务，也是我国素质教育、万众创新的基本要求。如何培养学生的创新思维、提升学生的创新能力，成为近几年高校科研教学中教师关注的热点话题。

一、薄膜表面长出了颗粒

在微电子器件领域目前已经进入铜互连时代，集成电路中的互连线的主要材料铜薄膜。为了提高铜薄膜的抗电迁移性，一些研究者通过向铜薄膜中添加微量合金元素的方法改善铜薄膜的性能，研究发现对纯铜薄膜和铜合金薄膜进行退火后，在薄膜表面可能会析出一些不规则的丘凸，丘凸的出现将形成会危害电子器件的使用寿命，为确保薄膜电子器件的服役安全性，生产和科研上都不希望丘凸出现，或者尽量采取各种方法避免丘凸出现。

在指导研究生进行铜合金微观结构与性能研究的过程中，学生发现退火后铜合金薄膜表面出现了大量颗粒，急匆匆地来告诉我实验失败了，需要调整合金成分。我仔细查阅了实验结果，发现薄膜表面出现的颗粒确实很多，其中很多是棱角分明的多面体颗粒，薄膜表面出现这些颗粒出乎我们的预料，同时薄膜表面出现这些颗粒意味着这个成分的合金薄膜确实不适合作为互连导线材料。但是，我没有简单地把这次实验结果归结为失败的实验，我告诉学生，从这个结果告诉我们目前的合金成分不适合作为集成电路互连导线材料，我们需要调整合金成分，但从另一个角度分析实验结果，出现颗粒这个现象就可能变成好事。我们知道由于良好的综合性能及成本优势，纯铜及其氧化物颗粒在润滑、催化、气敏、太阳能电池等方面具有广泛应用。目前通过传统的溅射方法也可以制备纯铜颗粒，但是制备的纯铜颗粒尺寸受限制，一旦颗粒尺度超过十几纳米，就会出现颗粒相互连接形成薄膜的现象。基于当前的研究现状可以看出，虽然人们在实验室内可以通过多种方法制备出亚微及纳米尺度的铜颗粒，但是所制备的铜颗粒基本都是自由态的单分散颗粒或者许多颗粒团聚在一起，很难将这些颗粒固定在基体或者薄膜表面。尽管通过模板法可以在基体或者薄膜表面生长纯铜颗粒，但是这种方法技术复杂，而且在去除模板的过程中容易对铜颗粒造成污染，因而也不适合产业化发展需求。综上所述，可以看出现有的技术方法无法在薄膜表面生长与薄膜结合良好的铜颗粒，针对这一问题，我们在实验中获得的“坏结果”实际上提出了一种在薄膜表面自形成尺度可控并與薄膜结合良好的单分散微、纳米尺度铜颗粒的新方法，而且可以获得纳米颗粒与薄膜相结合的颗粒复合膜。学生听完我的分析豁然开朗，沿着制备纳米颗粒复合膜的思路做了一系列系统深入的研究，取得了具有一定创新性的好结果。相关科研结果已在国内外期刊上发表了科技论文，同时申请了国家技术发明专利，获得的颗粒复合膜见图1。

二、将金属与单晶硅之间的扩散应用在太阳能电池制绒

近年来，为降低炭排放量，促进经济健康、可持续发展，高效率、低成本单晶硅太阳能电池的研制及产业化受到了世界各国的高度重视，其应用也日益广泛。然而，与传统能源相比，目前单晶硅太阳能电池的生产成本依然略高，这限制了其在更多领域的普及应用。显然，降低生产成本、提高太阳能电池光电转化效率是影响其应用的关键技术问题，成为当前太阳能电池领域产业界和科学界关注的热点问题。研究发现，对于硅太阳能电池来说，在硅片厚度相同的情况下，在硅片表面形成绒面结构是降低太阳能电池表面反射率、提高太阳能电池转化效率的有效途径。

从文献及专利内容中可以看出，在太阳能电池表面形成绒面结构不仅可以降低表面的反射率，还可以在电池的内部形成光陷阱，从而显著地提高太阳电池的转换效率，是提高太阳能电池转化效率的重要技术方法之一。目前，文献和专利中报道的制备绒面方法主要包括化学碱液腐蚀法、机械刻槽以及激光刻槽等方法，每种方法的技术特点及其获得的绒面结构均有所不同。碱溶液制绒法存在的主要问题是需要进一步提高绒面的一致性、均匀性，以及反应的可重复性等。机械刻槽法和激光刻槽法的特点是刻槽位置、尺度可控，但所刻槽的内表面往往起伏不平，加工过程中容易污染硅片，同时加工效率较低，成本较高。因此，为提高单晶硅太阳能电池的转化效率和拓展其应用空间，探索能够获得高质量绒面结构的新方法有重要的意义。在集成电路制备过程中需要将金属铜薄膜沉积生长在单晶硅基体上，在一定温度条件下铜薄膜会与硅基体相互扩散，危害集成电路的使用寿命和安全性。为了避免铜薄膜与硅基体之间的扩散，可以在铜与硅基底间沉积阻挡层阻止铜向硅中扩散形成化合物，同时改善铜薄膜与硅基底的结合强度。

通过对金属薄膜与单晶硅基体之间的扩散行为进行深入分析，我们发现在特定条件下铜向硅中扩散是按照一定方向进行的，我指导研究生计划利用这种扩散行为对单晶硅基体进行表面微结构改性。实验中我们通过在单晶硅基体上沉积铜合金薄膜，然后进行退火处理，诱导铜原子按照一定方向向硅基体中扩散，在硅基体表面区域形成了大量分布均匀的铜硅化合物。而后我们采用一些特制的酸液将铜硅化合物腐蚀去除，就在单晶硅表面获得了分布均匀的V形槽绒面结构，见图2，在提高太阳能电池的转化效率上有潜在的应用前景。通过这个研究我们利用了铜与单晶硅扩散这个“不利”行为，认清其规律，将这种“不利”的扩散行为应用到太阳能单晶硅基体制绒结构获得了良好的效果，相关结果已经获得国家技术发明专利。

结论：

在材料研究领域特别是纳米材料研究过程中，经常会出现不符合预期的不理想结果或者称之为“坏结果”。事物都具有两面性，从研究者既定的思路出发，实验过程中出现这些“坏结果”无疑是失败的实验，换一个角度对这些“坏结果”进行分析，可能会发现这些不符合预期的“坏结果”可能正是其他研究领域渴望获得的“好结果”。

参考文献

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[2]鄭确辉.聚焦素质教育培养创新人才[J].中国高等教育，2013（10）：22-24.

[3]梅瑞斌，包立，齐西伟，等.浅谈以创新教育为目标的教学改革[J].教育教学论坛，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