关于科研工作方法和实验室建设的一些体会

关于科研工作方法和实验室建设的一些体会陈清北京大学电子学系纳米器件物理与化学教育部重点实验室

2011-5-14,北京大纲几点说明一般性的体会学科的选择和培育团队建设和管理实验室建设和管理科学研究方法几点说明这纯属我个人的体会，不代表任何单位和其他个人。科学研究的方法有多种多样，个人的资质和特长也各不相同，不同的学科也有不同的特点，不同的人有适用自己的不同经验。我今天要讲的只是我个人的体会和我个人认为要想做成一些事需要注意的问题。只供大家参考。本人才疏学浅，讲的不一定都对。由于准备时间紧迫，讲的条理性也不是很好。如有不全面、不十分正确的地方，请大家原谅，也欢迎大家指正。我报告中会举些例子，由于对我们自己的工作比较熟悉，多数可能会是我们自己工作的例子。在此说明，毫无自我宣传的意思，请大家不要误解。一般性的体会必须热爱科研工作科研工作是事业，不只是谋生的手段。需要满腔热情，不惜投入自己所有可能的时间和精力。做自己喜欢做的事比较容易做成功，做科研也是一样，喜欢是一定要的。只要喜欢了，就不吝惜花多少时间，就有动力要把事情做好。做好科研需要坚持科研工作要有连续性，要耐住寂寞，坚持多年研究。特别在遇到困难时要想办法克服，坚持自己的方向。 日本人多数并不比中国人聪明，但他们能坚持在一个方向研究十年、几十年，最后就没有人比他对领域更了解。大的突破是需要长期积累的，不要希望一夜暴富，也不要寄希望一夜成功。不要总想走捷径。要踏踏实实，脚踏实地。从事科研有很多时间会感觉迷茫和困难，对自己很没有信心。这种时候更需要坚持。需要不断给自己提出更高的要求，不断超越自己。 ---好好学习，天天向上。这实际上很难做到。不是最聪明的人最易成功，而是坚持的人。兴趣可以广泛，心思不能太散，做事要集中。要刨根问底对关键问题一定要刨根问底，不要怕问的问题太简单被人笑话。不要忽视简单的问题。清楚回答显而易见的问题可能意味着重要的发现。如牛顿在苹果树下想的问题。要敢于承认自己不懂，或不全懂。要敢于向任何在相关问题上比你懂的人请教,包括你自己的学生。 中国的课堂通常是老师讲授，讨论得较少，学生提问题也通常不敢当众随便提，常要课下悄悄地找老师问。美国的课堂鼓励学生当堂提问题，不怕问的问题简单，因为你不明白的可能也是别人不明白的。 中国人常有面子观念，向比自己地位声望高的人问比较容易，反之就不太自然。---真理面前人人平等。不要迷信权威和名人学术带头人、著名教授、院士、诺贝尔奖获得者都不是圣人，他们可以在自己擅长的领域做得最好、了解得最清楚，但不可能对所有领域都最了解，对其它领域有可能知道得很少。如果你肯花足够的时间去研究一个问题，你就可能成为最了解这个问题的人。学生在一个方向读了足够多的文献，花了足够多的时间，就可能比导师对这个方向的了解更多。找好起点要找好起点，从高起点起步。牛顿说他自己不过是站在巨人的肩膀上。所以，要想站得高、看得远，就要先站到巨人的肩膀上。要了解和把握学科前沿。现在网络和信息都非常方便了，通过文献的学习和与人交流也可以站得比较高。注意不要眼高手低。不能看着别人的都很容易；自己做起来，简单的事看不上、不愿意做，难的事又做不来。实际上任何事要做好都不容易。任何重要的进展和发现都是从小事开始的。做好科研的素质做科研的方法是可以学习的，做科研的人不需要一定是天才。但做科研需要一些素质： 不怕困难，勇往直前。 有好奇心。 脚踏实地，认认真真。 有很好的判断力，能抓住主要矛盾和关键问题。不太被世俗所左右，能耐得住寂寞。学科的选择和培育长远目标的选择：科学研究一方面是为了满足科学家的好奇心，更重要的是要促进人类的文明进步，满足国家需求。符合国家需求才容易获得支持。基础研究的目标不是眼前的小发明小创造，是在未来10年、20年甚至更长的时间能显示出价值的。一定不能追求立竿见影的效益，不能急功近利。重大突破没有5、10年以上的积累是不可能的。现实目标的选择：是通向长远目标的阶段性目标。要有前瞻性，也要具备基本条件来做。要是学科前沿。也需要是自己有能力做好的。找出国家需求、具有的研究条件、个人兴趣和特长三方面的交集要凝练目标，集中精力。要追求在一个小方向做到世界上最好。学科和研究方向的确定需要长期的积累，要一直把握领域的发展前沿，并不断解决领域发展急需解决的问题，在学科领域连续做出有影响的工作。只有在一个领域做出系列贡献的人才会被认可。什么是有影响的工作对基础研究，多数需要在有高影响力的杂志上发表成果

高影响力杂志的审稿更严格，对工作的重要性和研究水平的要求更高，更容易被大家看到，读者对文章的重视程度也高些。

但也不排除个别文章是因为在小圈子里人熟而比较容易发表。

另外，同样的工作如果是美国人做的可能更容易被高影响力的杂志接收，如果是中国人的文章就卡得更严。主要原因，一方面是外国同行对中国人的工作不很了解，另一方面中国人做的工作有很好的但也有很一般的。对基础研究，发表在高影响因子杂志上的文章才只是开始，重要的是发表后是否有同行正面引用，是否引出了一个新的研究方向和研究热点。

如果在PRL（物理方面的顶级期刊，影响因子7.3）上发了文章，但过了十年文章他人引用数不到20，这就不是很好的工作，至少不是很重要的工作。如果发表的杂志影响因子不很高，但5年里被他人引用几十次，也是重要工作。对应用研究，最后能真正解决实际问题，推动产业发展和人民生活水平提高，创造实际价值。团队建设和管理要围绕学科发展组织团队。要能带领大家向一个共同的目标努力并不断取得进步。提高团队的凝聚力。要充分尊重团队中的每个个体，平等对待大家。对大家要一视同仁，基本公平。对做得好的一定要鼓励，树立榜样。要有比较合理的规章制度，使做得好的得到鼓励，做得不够好的积极争取进步。不能老是以老板自居，要成员事事都服从自己。要发挥大家的主观能动性。要充分相信团队成员，但对需要指导的成员也要多帮助。对成员之间的矛盾要尽可能平息，千万不能扩大。实验室建设和管理实验室不是为了建设而建设，而是为了做研究的需要。设备的配备要根据所做研究的需要。好设备不是为了摆设或拿来说事的，是要为科研服务的。要发展有自己特色的设备。比如我们建起的纳米材料综合测试平台。L.M.Peng,etal.,Micron,35(6)(2004)495.

C.Y.Li,etal.,Nanotech.20(2009)175703.In-situexperimentalsystem根据我们想研究纳米材料的结构与性能关系的需要而建设。扫描电镜+冷台+探针。根据测量需要请厂家开发了接触探测功能。发展了一系列纳米操纵，加工和测量方法。自主开发了光学探测系统。环境扫描电镜可以改变环境。大设备、贵设备并非都必要大设备维护也花钱、花精力，不出成果就是浪费。研究人员过多地栓在管设备上就没有精力做研究了。有些人总想自己什么设备都有，用起来方便。但没考虑浪费问题，没考虑维护仪器的人力物力的投入。如果一年使用不超过20次，就没有太大必要一定要自己买。并非贵的设备就是好的设备。如果一个功能5年10年都不可能有人用，就完全不必花钱买。5年后仪器可能又有新的发展，科研方向也可能有新的变化，研究人员都有可能变化。并非有了贵的仪器就一定能做出好的工作。充分利用公共平台应充分利用公共平台

现在国内很多地方在仪器设备方面的条件比有些国外的研究组要好。特别还可以花钱到公共平台去做。国外，如日本，到别的组做检测有时是很困难的事。美国好些，大老板的组好些。美国、欧洲都有公共平台，一般的研究组自己不养太多大设备。不是有了设备就能做出好工作。关键是要做什么研究、怎么做。到外面检测一定要自己清楚工作原理、数据的分析和结果的含义。在可能的情况下要自己作为旁观者参加实验并做好记录。不能交给别人测，自己只拿结果。另外，对结果的解释一定要专业。买设备要根据科研需要。并非贵的设备就是好的设备。如果一个功能5年10年都不可能有人用，就完全不必花钱买。国外很多组在买中国的、韩国的、台湾的设备，因为做同样的事花的钱少。反倒是国内很多人追求美国的和欧洲的。不是都有必要。要货比三家。当然，国内的仪器设备水平、稳定性和服务还需要大力提高。实验室管理实验室也是为了科研需要的。实验室要有好的规章制度，保证安全和大家的正常使用。但规章不能太死，让使用的人缩手缩脚。规章的执行需要经常检查。不能怕用的人多容易出问题就不开放用。做研究的实验室一定要让学生自己动手做，不能全靠操作员。独立使用大型设备前的严格培训和考核是非常重要的。对违反规定的学生要一视同仁，不能对名导师大人物的学生就宽松。科学研究方法科学研究的重要环节1．选题和背景调研1.1文献检索和背景调研1.2找出关键问题2．制定研究方案和研究内容3．实施研究4．结果总结科学研究通常包括几个环节：

选题和背景调研，确定研究目标，制定研究方案和研究内容，实施研究，结果总结。1．选题和背景调研目的是确定研究方向和研究目标。所选的问题必须是重要的，是大家都关心的,它的解决会带来一系列问题的解决。是对基础研究或应用领域有重要意义的。

要做好任何事都需要花很多时间和精力。把自己有限的时间和精力投入到重要的事情上。背景调研和学习文献的时间是不能省的，不能草率。 做学生时可以跟着几篇重要的文章和几个重要的研究组做，其实主要是靠导师或重要人物指出了大方向。作为成熟的科研工作者不能这样，要发展出一个可以持续研究的方向就必须做好充分调研。包括：文献检索和收集，文献阅读和学习，对领域研究现状的总结，提出问题，找出关键问题和重要问题。1.1文献检索和背景调研目的是要对研究领域有所了解，知道大家在关心什么，在研究什么，追求什么？

比如半导体技术路线图中给出了半导体行业关心的问题和未来发展需要解决的问题。其它领域没有这样的路线图，但很多综述文章和好的文章中会提出作者自己对领域发展的看法。可以参考，但读者要有自己的判断。现在有网络和数据库，了解研究领域的现状方便多了。通过查SCI，获得领域的重要文献和大致情况。多数科研工作者都了解，WebofScience网也提供培训文件。我这里只简单介绍我的一点经验。SCI检索按被引频次排列要注意：关键词的选择。要会判断哪些是重要的文章，需要仔细读。有些只需读读摘要。要特别关注：被引用多的文章，重要的研究组的文章，特别相关的文章……分析哪些组是在领域里有重要贡献的，比如Lieber组在纳米器件方面。哪些是偶尔出一篇文章的。分析领域的状况（年代分布图）跟踪重要的研究组几年所做的工作，可以发现一些别人的研究思路和研究方法。Nanowire是个正在迅猛发展的领域读文章三个阶段：1）先看摘要，有时也需跳跃性地扫扫，看看作者想说什么，判断是否相关、是否值得仔细读。2）Introduction通常会说为什么做这个研究，Conclusion通常会给出文章的主要结果。如果这个结论是重要的，你关心的，要大致读读文章，找出文章中最重要的地方，最新颖最有价值的地方。3）如果是非常相关或非常重要的文章，要仔细看内容，实验怎么做的，用的什么理论，具体结果和分析，如果得到结论，还有什么不清楚……带着问题读文章

“我如何用这个信息？”“是否真像作者宣称的那样？”“如果……会怎么样？”理解文章

不等于明白结果是怎么得出的。更多地应该理解文章的工作目的，作者选择的研究方法，假设和假说是否现实合理，文章的工作建议了什么方向，关键问题在哪里，此研究方向不断发展将遇到的困难在哪里，文章的关键点在哪里……对于好的文章要仔细学习，不仅学习科学内容,还可学习研究方法和写作方法。并非Nature，Science上的文章就是最好的文章。物理界PRL，纳米科学界NanoLett.，材料界Adv.Mater.，化学界JACS...都是领域的顶级刊物。实际PRB上的文章比PRL上的文章可能包含更多有用的信息，更应该好好学习。1.2找出关键问题在有基础知识储备、经验积累和充分了解领域研究现状的前提下提出问题，找出需要解决的关键问题。什么是关键问题：这个问题必须是重要的，是大家都关心的，它的解决会带来一系列问题的解决，促进学科发展，发展出新的研究方向……。要思考，要研究问题、从源头上了解，要解决根本性的问题不能看别人做什么自己也做什么。开始时可以，但长远一定自己明白为什么要做。不能只看没人做过自己就去做。没人研究过的事很多，有些可能不重要，有些可能被忽略，有些是当前条件不可能做。需要自己判断。别人做过的也不是就不能做。要看别人是否把问题研究清楚了，是否有新的手段新的方法可获得更深入的了解，是否有必要从另外的角度研究同样的问题。读文献不能光看结论，不能轻信它的结论。要看它的证据是否真能证实它的结论，逻辑是否清楚。有些人的文章里可能会把话说得比较大，要有自己的判断。即使是著名的研究组的文章里也是会有错误的。有时可能受到当时研究手段的限制对问题的认识不够清楚和深刻。不是说什么都不相信，而是要经过自己的思考，相信真理。针对要了解的问题，把领域里的重要文献都读了，都了解了，就清楚领域的前沿和关键问题了。文献中的引文，引文中的引文，重要文章的后续工作……一定要看原始文献，不能完全听文献中转述的，有时文献里的转述是错误的。教科书里的内容多数是经过检验的。学术论文就不同了。作为科研工作者是要站在领域的前沿，了解最新的进展。作为最新进展的文章，里面的结果和结论可能不一定对或不一定全面。所以要思考。比如氧化钛纳米管的结构问题，是日本人先用二氧化钛合成出了纳米管，由于他们在结构表征方面的经验不够，就轻易地下结论纳米管是二氧化钛纳米管。我们能在这个问题上有突破是基于我们十余年的结构表征积累和对这个问题的仔细研究。（举例1）又比如我们测量碳纳米管力学特性的工作。（举例2）关于氧化钛纳米管结构问题的提出研究氧化钛纳米管的目的动机：清洁能源TiO2+H2O

+sunlight

H2+O2

光催化性质，环保材料问题：可见光吸收弱可能的解决途径：纳米化

改变能隙，增加表面积日本科学家于1998年首次合成出来，在国际上引起了巨大的关注。但他们认为纳米管结构为TiO2结构。T.Kasugaetal.,Langmuir14(1998)3160;Adv.Mater.11(1999)1307氧化钛纳米管的发现从TiO2出发制备纳米管

Needle-shapedTiO2productswereobtained….Theneedle-shapedproductsarenanotubeswith…我们首次合成出了高纯度的纳米管样品，得到了高质量的X射线衍射数据，证明了氧化钛纳米管的结构不是基于三维TiO2结构的。G.H.Du,etal.,Appl.Phys.Lett.22(2001)3702对TiO2纳米管结构的否定XRD结果TiO2纳米管核心问题：TiO2

为三维封闭结构

从本质来讲不喜欢管结构150nm钛酸纳米管结构模型Q.Chen,etal.,Adv.Mater.14,(2002)1208

Q.Chen,etal.,ActaCryst.B,4(2002)587通过系统的结构表征工作提出并确定了钛酸纳米管的结构模型碳纳米管的力学特性研究Science283(1999)1513.主要学术贡献:利用在电镜中的原位实验测量了碳纳米管的电激发谐振，并通过谐振频率测量碳纳米管的杨氏模量。利用上述方法测量了碳纳米管的杨氏模量随其半径的变化。发现该方法可用来测微小质量或做Kelvin探针来测量纳米材料的功函数或表面势。问题:用欧拉梁模型公式，基于单点测量结果计算关键问题之前的实验研究都是用欧拉梁模型计算杨氏模量。但欧拉梁模型是忽略了切变和旋转的简化的经典模型。碳纳米管是各向异性的材料，理论研究也已经证实。---问题:经典模型是否还适合碳纳米管的力学特性，欧拉梁模型是否还适合碳纳米管这种各向异性的纳米材料之前的实验都是基于单点的测量，无法验证理论是否适用。---问题：是否能通过实验验证理论的适用性。2．制定研究方案和研究内容要选择能给出明确结果的研究方法，切忌做了研究还是说不清。前沿的问题有时也是挑战现有研究手段的极限，要尽可能排除各种可能因素，把实验做的干净清楚。另外，要从不同的角度研究同一个问题，排除其它可能，使结果没有悬念。研究要全面,要提供不同角度不同层次的充足的证据。3．实施研究研究过程要细致，认真，要充分关注细节。实验记录和工作记录要详细清楚。要知道自己在做什么，为什么做。做实验要认真仔细，要特别注意与自己预期不同的现象和结果。要从多方面多角度去证明自己的结论。特别要注意亲自做研究，要检查学生的原始结果，由合作者完成的部分要详细了解细节。最好实验一起做。不能光听别人说结果。比如：

钛酸纳米管的工作(举例1) 比如碳纳米管力学特性的研究（举例2）关于氧化钛纳米管结构的确定我们首次合成出了高纯度的纳米管样品，得到了高质量的X射线衍射数据，证明了氧化钛纳米管的结构不是基于三维TiO2结构的。G.H.Du,etal.,Appl.Phys