浅谈大学生如何开展科学研究

杜永+徐家跃+田甜+窦允辰

（上海应用技术大学 材料科学与工程学院，上海 201418）

摘要：本文结合实践中的教学和科研经验，以Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料为例浅析大学生如何开展科学研究。

关键词：大学生；科学研究；科研能力

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）18-0275-02

大学生开展科学研究，有利于巩固所学的理论知识，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，对以后从事教学或者科研等相关工作具有重要意义。近年来，很多大学生从大学一年级就开始进入老师的课题组，组建大学生创新项目团队，开展大学生创新项目的研究。在此过程中大学生经常遇到的一个问题就是如何开展科学研究？结合本人多次担任大学生创新项目团队指导教师的经验，以Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料为例谈谈自己对材料专业大学生如何开展科学研究的一些看法，具体如下。

一、选择一个感兴趣的课题

兴趣对于课题的研究至关重要。大学生在选择科学研究课题的时候要结合自己的情况选择一个感兴趣的研究课题。比如有的同学对热电材料感兴趣，就可以选择热电材料中的某一个具体问题作为研究课题。由于热电材料是一个相对比较大的研究课题，那么如何选择热电材料中的一个具体问题？这就要求同学们通过文献查阅后进行归纳总结，找到自己感兴趣的、切合自己研究水平的课题。如果在此过程中选择一个研究范围很大或者研究内容很难的课题，课题的完成将面临很大的困难。

二、通过阅读大量的文献找出研究课题的突破口

同学们对某一研究领域的课题产生了兴趣以后，可以通过Web of knowledge平台、中国期刊全文数据库、万方等数据库，输入关键词，查询所要研究课题最新的文献。通过阅读这些文献资料，对所要研究课题目前的国内外研究现状、存在的问题、以及未来可能的发展趋势有较明确的认识。如对热电材料感兴趣的话，可以在Web of Science数据库输入关键词“thermoelectric materials”，或者在中国期刊全文数据库、万方等数据库输入关键词“热电材料”，就可以检索出很多热电材料相关的文献资料。通过对这些文献的阅读和整理，同学们对热电材料就会有一个比较明确的认识和理解，比如热电材料可以将工业废热转变成电能，也可以用来制冷，并且利用热电材料制备的热电发电和制冷器件在使用过程中具有结构简单、无噪声、无污染、无机械振动等优点[1]。目前热电材料已经在航空、航天、军事、汽车等领域取得了应用。热电材料主要分为无机热电材料、聚合物热电材料、以及有机—无机复合热电材料三类。Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料是有机—无机复合热电材料的一种，具有广阔的应用前景，比如柔性热电器件等，但是目前此课题的研究相对较少，还有很多亟待解决的问题值得深入的研究。这样找就到了热电材料中的一个可能开展的具体研究课题。

接着可以在Web of Science数据库输入关键词“Bi2Te3”、“PEDOT：PSS”、“thermoelectric”，或者在中国期刊全文数据库、万方等数据库输入关键词“Bi2Te3”、“PEDOT：PSS”、“热电”就能检索出多篇和上述研究相关的英文和中文文献。通过对上述参考文献的分析可知，目前在制备Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料过程中主要存在的问题是：（1）Bi2Te3基合金纳米结构容易氧化；（2）Bi2Te3基合金在PEDOT：PSS基体中难于有效的分散[2]。未来可能的发展趋势是研究和开发制备Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料新的工艺，从而解决Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料制备过程中存在的上述两个问题，提高所制备材料的热电性能。通过对参考文献的进一步分析可知，目前制备Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电材料的一种有效方法是首先对Bi2Te3基合金纳米结构进行剥离，剥离后的Bi2Te3基合金纳米薄片可以在乙醇中有效分散，然后将分散在乙醇中的Bi2Te3基合金纳米薄片与PEDOT：PSS进行混合，最后通过旋涂法和浇注法制备Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电薄膜材料[2]。但是参考文献[2]目前只研究了Bi2Te3基合金纳米薄片的含量对Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料电导率和Seebeck系数的影响规律。而关于Bi2Te3基合金纳米薄片的含量对Bi2Te3基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料热导率以及ZT值（ZT=S2σ/κT，S、σ、T和κ分别为Seebeck系数、电导率、热力学温度和热导率）的影响仍未有报道。因此开展此课题研究的创新点就是研究Bi2Te3基合金纳米薄片的含量对Bi2Te3基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料的热导率以及ZT值的影响规律。这就找到了Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS纳米复合热电薄膜材料研究的突破口，为课题研究方案的制定提供了依据，为项目的顺利开展奠定理论基础。

三、制定详细的实验方案

在找到项目研究的突破口后，需要制定详细的实验方案。实验方案的设计过程中，要综合考虑各种因素对實验结果的影响，比如：（1）影响Bi2Te3基合金纳米颗粒剥离成纳米薄片的主要因素；（2）Bi2Te3基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料制备工艺的探索；（3）Bi2Te3基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料中Bi2Te3基合金纳米薄片与PEDOT：PSS质量比的选择等。一般而言实验方案制备的越详细、各种影响因素考虑的越全面，后续的实验就会相对顺利一些。

四、按照实验方案开展实验

实验方案制定好以后，就到了实验阶段。通过严格执行所设计的实验方案来具体研究实验方案中制定的研究内容，重点研究Bi2Te3基基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电材料中Bi2Te3基合金纳米薄片的含量对于复合材料相组成、微观结构、载流子浓度和迁移率、热电性能的影响规律（电导率、热导率和Seebeck系数）等。当然在这一过程中也可能会遇到一些实验方案设计过程中未曾考虑到的新问题，这就需要根据所遇到的具体问题来重新调整实验方案，以保证实验方案的顺利完成。

五、实验数据的分析和总结

实验完成后，可以借助一些常用的软件对实验数据进行分析，与参考文献中报道的Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料的电导率和Seebeck系数结果进行对比，分析Bi2Te3基合金纳米薄片/PEDOT：PSS复合热电薄膜材料中Bi2Te3基合金纳米薄片的含量对于复合材料热导率和ZT值的影响，并与已经报道的Bi2Te3基合金/PEDOT：PSS复合热电材料[2，3]，以及其他类别的有机—无机热电材料（如：Bi2Te3基合金/聚苯胺[4]、石墨烯/聚苯胺[5]等）的性能进行比较。分析实验的效果、存在的不足、提出改进的方法、展示研究成果，形成实验报告或者撰写研究论文。

六、结语

对于材料专业的大学生来说，开展科学研究可以提高学生收集资料、阅读文献、归纳综述、分析具体问题、思维和动手能力，有利于巩固所学的理论知识。对于培养大学生的科研创新能力具有重要意义。希望本文能为材料专业大学生关于如何开展科学研究提供一些思路，更好地完成大学生创新项目课题的研究。

参考文献：

[1]毛健新，乜广弟，卢晓峰，高木，王威，王策.导电高分子及其纳米复合材料的热电性质[J].高等学校化学学报，2016，（37）：213-220.

[2]Y.Du，et al.，ACS Appl.Mater.Interfaces，2014，6，5735.

[3]B.Zhang，et al.，ACS Appl.Mater.Interfaces，2010，2，3170.

[4]X.B.Zhao，et al.，Materials Letters， 2002，52，147.

[5]Y Du，et al.，Synthetic Metals，2012，161，2688.

收稿日期：2016-11-30

项目资助：上海应用技术大学引进人才科研启动资金项目（39120K166005-YJ2016-5）资助

作者简介：杜永，特聘研究员，主要从事有机—无机纳米复合热电材料和柔性热电器件的研究工作。