作者
冯琪
中国科学技术大学近代物理系在读博士生，主要从事弱信号探测，光电探测相关的科研工作。
研究方法部分是科技论文的重要组成部分。研究方法部分支持发现的研究过程的详细描述，它解释了您的技术和如何得出结论的路线图。一篇好的研究方法不仅描述了科学研究所使用的策略，还应当给出选择这些策略的理由。在本文中，我们列出了撰写研究方法的必要步骤，提供撰写研究方法的提示和常见问题。
本文选用的案例文章为“Poisson CCD: A dedicated simulator for modeling CCDs”，发表于2021年的Journal of Applied Physics期刊中。本文基于怕泊松方程，建立了CCD器件（一种用于光电转换的MOS存储器）的仿真模型，并复现了在CCD使用过程中的一些特性，仿真结果与实验数据进行对比。
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研究方法的重要性
研究方法这一部分是全文最核心的部分，选择合适的研究方法对于科技论文的写作非常重要。研究方法的准确性、严谨性、实用性、创新性和科学性等方面都直接影响到论文的可靠性和正确性。这一部分需要阐述实验过程中的详细有效的细节（包括你自己做的或者利用现有的），并能够让读者进行复现并获得近似的结果。这一部分还要解释实验数据的得到和正确性科学性的评估。因此，在选择研究方法时需要综合考虑这些方面，选择最适合的研究方法，以确保论文的正确性和可靠性。
在范文中，研究方法主要分为两部分，模型构建和结果分析。两部分共占了论文的7/8部分，是全文最核心的部分，也是文章的主要内容。模型构建采用数据求解的方法，划分网格，然后基于泊松方程迭代求解CCD内部电场和电势。结果分析部分给出了不同事件下的模拟结果，包括了对模拟结果的合理性分析和与实际测试的对比。作者在介绍研究方法时，对其中细节做出了较为详细的描述，并且给出了源码，具体较好的可靠性。
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研究方法写作步骤
在写研究方法部分时，主要遵循以下步骤。
重新陈述论题或研究问题。重新研究问题可以使这一章节更加完整，并且重新陈述论题过程中也可以列出研究中测试的任何变量或者条件，同时为研究中的各种假设条件进行检查。在范文中研究方法部分的第一段，文章介绍了CCD仿真模型需要解决的两个问题，承接上文的引言，并为后续的研究方法更加完整。以下是原文：
“The simulator performs two basic tasks, as shown in Figure 1. First, given the charges in the silicon bulk and the boundary conditions determined by potentials applied to the silicon surface, the simulator solves Poisson’s equation numerically to determine the potentials and electric fields in the silicon bulk.”
解释选择的研究方法。在重新陈述研究问题后，需要解释选择使用的研究类型。需要介绍选择定性研究、定量研究、混合方法或您特定领域认可的其他方法的原因。如果研究方法中的任何部分超出了所在领域的传统实践范围，需要进行详细的阐述和验证。例如，你可能创造了一个与你的论文主题特定的独特方法，或者你可能使用了另一种研究线路中通常使用的方法。研究方法需要提供了证据表明你的方法是有效的，并且需要对比传统方法并给出所选方法的优势。范文中的研究方法是采用数据求解的计算方法。先概括CCD的结构，并利用泊松数值求解电场和电势，后续文章采用小标题的形式，分段描述研究方法具体的每一个步骤。文章中的小标题包括仿真初始条件（Setting up the initial conditions），仿真公式推导（Solving for the potentials, fields, and free carrier densities），网格划分和迭代（Multi-grid methods），电子的传输模型（Modeling carrier transport）。
描述实验以及实验数据。描述进行的实验，包括如何设计实验、如何测量任何变量以及您需要如何进行实验的工具。范文在第一小节的第一段给出了设计模拟的基本语言模型和架构，下面是原文：
“The simulator is written in C++, and is controlled by a text-based configuration file, which contains all of the information about the silicon volume, pixel sizes, number of pixels, any non-pixel regions, etc. The configuration file also defines the problem being solved. By convention the configuration file has a .cfg extension, but this is not necessary. Appendix A lists the configuration parameters. As the simulation progresses, it writes out a number of files. Large files containing information like potentials, charge densities, electric fields at each grid point are written as high-density HDF5 files, having file extension .hdf5. Several smaller text files, with a .dat extension, are written which contain information on the grids or the number of electrons in each pixel. After the simulation has completed, easily modifiable Python scripts are used to plot out results as desired.”
描述在论文中使用了定量或定性数据，需要解释如何收集所需的数据以及数据的意义，包括原始数据以及其他来源中的现有数据。如果数据是完全定量的，需要列出数据获取的步骤，包括是否使用了任何软件来分析数字，以及是否使用了任何统计测试以确保数据的准确性。如果数据是定性研究，需要给出参考和原因。范文中用一小节给出了仿真的结果，首先介绍了该结果的仿真条件和仿真结果，仿真条件和结果在给出
时进行了详细的介绍：介绍仿真条件
时，以下是原文：
“Figure 10: A set of vertical 1D profiles of potential and charge density at various locations of the ITL STA3800C CCD. Again, the center pixel has 100,000 electrons and the surrounding pixels are empty. The sharp discontinuities near the left edge of the plots are at the Si/SiO2 interface where the device silicon begins. This is at a z-coordinate of about 0.69 in the channel region and 1.09 in the channel stop region.”
介绍仿真结果
时，以下是原文：
“Figure 11: A set of 2D projections of the distribution of fixed and mobile charges near the bottom of the ITL STA3800C CCD. Again, the center pixel has 100,000 electrons and the surrounding pixels are empty. The Si/SiO2 interface, where the device silicon begins, is at a z-coordinate of about 0.69 in the channel region and 1.09 in the channel stop region”
讨论遇到的障碍和解决方法。概述在研究过程中遇到的任何障碍，并给出解决问题的具体方法。这使得研究更加有效，读者也更有信心。范文中在给出迭代公式后，公式中有一个条件难以定量计算和测量，文章中给出了两种巧妙的方法来解决该问题。
以下是原文：
“The code provides two methods, selected by the value of the parameter “ElectronMethod”. With this parameter set to 1, a test simulation is run where the parameter ϕF (called QFe in the code) is varied through a range. For each value of QFe, we integrate over a pre-determined region to count the number of electrons in the well, building a look-up table of the number of electrons vs QFe. The results for a few values of QFe are shown in Figure 3. Then the code interpolates to determine the value of QFe which gives the appropriate number of electrons. In practice one can get close to the desired number of electrons, but the non-linearity causes variations from the desired number, so a second method was developed. When “ElectronMethod” has a value of 2, what is done is to place the correct number of electrons in the well, uniformly distributed in the center of the well. The code then moves the electrons around until the value of QFe is constant in the well. This allows one to get the correct number of electrons in the well without needing to know the value of the quasi-Fermi level.”
引用用于确定研究方法的参考文献。研究方法中某些步骤引用了其他的参考文献，的需要引用步骤的所有来源，这加强了研究的可靠性。在范文中，在介绍网格迭代求解时，为了加速迭代采用了一种特殊的迭代算法。该部分并不是作者的成果，作者列出了所参考的文献。以下是原文：
“Because of the strong non-linearity, simply iterating is numerically unstable. The method that works, described in detail by Rafferty, et.al. [18] and buillding on the work of Gummel ([19]), is to take this last equation as a non-linear equation for ϕ (n+1) in terms of ϕ n and run a Newton’s method “inner loop” to find ϕ (n+1) at each grid point.”
评估和验证。这部分需要评估所选研究方法在使用时的条件，列出任何潜在弱点。并且可以对比其他的研究方法，提供证据来支持选用的方法具有优越性。在范文中，采用的一个较长的篇幅，比较模拟结果和实测的结果对比，用来验证仿真模型的合理性和正确性。并且指出了在某些案例中模型所欠缺的部分。下面是在仿真CCD满阱时，由于仿真模型没有添加表面缺陷的信息，无法仿真出表面满阱的线性，下面是原文：
“The fit is good except in the strong surface full well condition, because the charge loss that occurs is not included in the simulations. It would be possible to modify the simulations to include this effect, but since the surface full well condition is to be 19 avoided, this was deemed to be not worth the effort.”
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写研究方法时的常见问题
研究方法是科学研究中至关重要的一环，它决定了研究的可靠性和有效性。在撰写研究方法时，研究人员常常会遇到一些常见问题。以下是一些常见问题：
研究目的不清晰：在写研究方法时，首先要明确研究的目的和研究问题。如果研究目的不清晰，可能导致研究方法的选择和设计不合理。
样本选择不合理：样本选择是研究方法中非常重要的一步。如果样本选择不合理，可能导致研究结果的偏差。
数据收集方法不可靠：数据收集是研究方法中的关键环节。如果数据收集方法不可靠，可能导致数据的不准确性和不可靠性。
变量操作不明确：在研究方法中，变量的操作是非常重要的。如果变量操作不明确，可能导致研究结果的解释困难。
统计分析方法选择不当：统计分析是研究方法中的重要环节。如果统计分析方法选择不当，可能导致研究结果的解释错误。
参考文献：[1]Craig Lage, Andrew Bradshaw, J. Anthony Tyson, the LSST Dark Energy Science Collaboration; Poisson_CCD: A dedicated simulator for modeling CCDs. J. Appl. Phys. 28 October 2021; 130 (16): 164502. https://doi.org/10.1063/5.0058894
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