中国科学院凝聚态物质科学数据中心开发的物质科学电子实验室（MatElab）为EX11组（柳延辉研究组）的高通量实验提供了全面的数字化支持，显著提升了实验效率和数据管理水平。通过构建本地数据中转站、开发专用实验模板和处理插件，该平台实现了从实验设计、数据采集到结果分析的全流程数字化管理。实验人员可以通过统一的电子记录本模板进行标准化实验记录，利用自动化插件完成复杂数据处理，并将实验成果一键上传至专业数据库。这一创新性的数字化解决方案不仅解决了高通量实验中数据量大、处理复杂的挑战，更为材料科学研究的规范化和效率化提供了有力支撑。
EX11组高通量实验背景
EX11组长期致力于新材料的高通量制备与表征研究。在高通量实验中，研究人员需要同时制备和表征数百个不同成分的材料样品，涉及磁控溅射制备、热处理、XRD表征、EDX成分分析、电学性能测试等多个实验环节。传统的实验记录方式面临数据量庞大、格式不统一、处理效率低下等问题，严重制约了科研效率的提升。如何实现实验数据的标准化记录、自动化处理和高效管理，成为该研究组亟需解决的关键问题。
技术实现方案
为解决上述挑战，我们采用了"本地中转站+云端平台"的混合架构技术方案。开发本地数据中转站，建立实验设备与MatElab平台的连接桥梁；设计标准化的实验记录模板，确保数据格式的统一性；开发专用数据处理插件，实现复杂实验数据的自动化分析；构建数据库上传机制，促进科研成果的共享与管理。整个技术方案充分考虑了高通量实验的特点和需求，实现了实验流程的全面数字化改造。
图1 高通量实验数据数字化技术路线。
一、本地中转站建立实验仪器和电子记录本的桥梁
我们开发了本地数据中转站，并将其部署在实验室服务器上，作为连接实验仪器与物质科学电子实验室的桥梁。中转站的首要功能是实现对MatElab实验记录的高效检索。实验人员可通过MatElab账号和密码在设备电脑上同步登录该网页程序（如图2a所示），随后通过筛选符合记录本名称和实验条件的实验记录，系统将以表格形式展示相关记录，以便用户确定目标实验记录的唯一标识符（uid）（如图2b所示）。
图2 本地数据中转站的主页面。（a）使用MatElab账号和密码进行登录。（b）通过电子记录本名称和实验条件进行实验记录搜索。
中转站的第二个功能是对实验数据进行处理并上传。选定某一实验记录后，中转站将允许进行后续操作。实验人员可通过拖拽或点击的方式选择所需实验数据，并将其上传至实验室服务器和MatElab。在上传前，用户可选择是否对数据进行简单处理。图3a展示了高通量EDX表征数据的处理界面。图3b和图3c展示了高通量XRD表征数据的处理界面。
图3 本地数据中转站的数据处理和上传页面。（a）高通量EDX表征数据的保存和上传。（b、c）高通量XRD表征数据的保存、处理和上传。
二、模板和插件功能实现高效记录和数据处理
物质科学电子实验室支持用户根据实验设备和数据类型自定义实验记录本模板，每次实验均按照模板填写相应的实验参数和结果数据，以确保数据格式的统一性。目前，高通量实验模板涵盖了从磁控溅射制备组合薄膜到高通量XRD表征等一系列实验模块。
高通量实验模板主要分为三个部分：制备、热处理和表征。在制备部分，包含三个核心模块：首先是准备模块，实验人员在此输入目标成分、薄膜厚度和溅射时间等关键参数，通过运行“co_sputtering“插件计算各靶位所需元素的溅射速率，据此调整溅射功率；其次是实验条件模块，用于记录实验日期、各靶位的设定功率、基底位置和靶位角度等具体参数；最后是实验环境模块，用于监控薄膜溅射过程中的基底旋转、基底温度和工作气体等环境参数。考虑到制备的组合薄膜可能需要进行热处理，模板中还特别设计了热处理表格模块，用于详细记录加热温度及对应时间。
表征部分是模板中内容最为丰富的部分，每种实验方法均包含2到3个模块，主要涵盖数据处理与可视化功能。对于高通量表征方法，实验数据可通过数据中转站直接从设备电脑上传，或通过MatElab界面进行上传。借助"hitp_edx"插件，组合薄膜上的成分分布会实时显示在对应的可视化模块中，便于实验人员快速调整实验参数。此外，通过"hitp_xrd_start"插件，包含数百个XRD谱图的压缩包会被传输至实验室服务器并解压缩，同时程序会自动读取记录本中关于XRD处理的条件参数（如是否去除基底信号及是否对所有图谱进行拟合）（图4a）。随后，运行"hitp_xrd_check"插件，组合库中每个材料的XRD谱图对应的第一峰半峰全宽将与成分关联并显示在可视化模块中（图4b），同时结果文件将在Download XRD mapping框和Download XRD curve photo框中提供下载。
图4 高通量实验数据模板中的高通量XRD表征模块。（a）数据处理模块和（b）可视化模块。
除XRD和纳米压痕表征外，实验还可通过"hitp_electrical_resistance"插件对高通量四探针电阻数据进行处理，以及通过"hitp_ellipsometer"插件对高通量光谱椭偏数据进行处理。这两个插件能够分别将电阻数据和光学性能数据与对应的成分信息进行关联，从而实现材料成分与性能的快速匹配分析。
除实验数据处理插件外，我们还开发了数据库上传插件"upload_hitp_data"。该插件能够将组合薄膜的全部实验信息（包括实验人员信息、实验参数及原始数据）一键上传至非晶合金数据库平台，实现实验数据的高效管理与共享（图5）。
图5 非晶合金数据库中ZrCuNiAl四元合金体系的高通量实验数据。从上到下，分别是合金体系信息、合金组合库制备条件信息和合金单点成分信息。
总结
通过在EX11组高通量实验中的成功应用，MatElab电子实验记录本平台充分展现了其在提升科研效率和数据管理水平方面的显著优势。该平台不仅解决了传统实验记录方式中数据分散、格式不统一、处理效率低下等问题，更通过标准化的实验模板、智能化的数据处理插件和便捷的数据共享机制，为研究人员提供了一站式的数字化科研解决方案。
实践证明，MatElab平台极大地简化了高通量实验的数据管理流程，使研究人员能够将更多精力投入到科学问题的探索和创新性研究中。该平台的成功应用为物理所乃至更广泛的科研院所推进实验数据数字化转型提供了宝贵经验和技术参考。