原子制造 未來(lái)在途(2)
2023-11-07 18:24:23光明日?qǐng)?bào)
——原子操縱與分子手術(shù)。1990年，IBM公司的科學(xué)家利用掃描隧道顯微鏡（STM）操縱原子撰寫(xiě)了“IBM”字形，我國(guó)很快也撰寫(xiě)出了“中國(guó)”字形。到今天，中國(guó)科學(xué)院和很多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在大批量地開(kāi)展原子操控，修整和制備全新的分子，已經(jīng)可以操控冷原子制備冷分子。2022年，美國(guó)科技公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)原子精度圖案的批量制備，圖案分辨率可達(dá)0.768納米。
——原子團(tuán)簇材料與裝備。當(dāng)代初級(jí)階段的原子數(shù)控制就有很大的價(jià)值：人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的C60已經(jīng)成為當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)核心材料；南京原子制造研究所能讓硅、鎳等團(tuán)簇粉體的焊接、燒結(jié)溫度從1400攝氏度下降到400攝氏度甚至更低；實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體注入深度降到5納米以下；實(shí)現(xiàn)選鍵式的表面處理等等，這些已經(jīng)部分開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化。
——單原子晶體管。2002年美國(guó)康奈爾大學(xué)報(bào)道了第一個(gè)單原子晶體管的原型器件；同年美國(guó)哈佛大學(xué)等單位報(bào)道了類(lèi)似的器件工作；2012年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)宣布基于STM技術(shù)制造出硅基磷單原子晶體管；2022年，他們又制造出世界上第一個(gè)原子級(jí)量子集成電路，利用10個(gè)量子點(diǎn)（每個(gè)量子點(diǎn)約含25個(gè)磷原子）為核心的電路進(jìn)行了量子模擬。2020年，我國(guó)南京大學(xué)等單位也報(bào)道了基于三端晶體管架構(gòu)的單原子存儲(chǔ)晶體管，其中利用柵壓調(diào)控單個(gè)Gd原子的位置；2022年，同樣的思路廈門(mén)大學(xué)等單位又演示了室溫的14種布爾邏輯操作；最近南方科技大學(xué)等單位在沿著澳大利亞團(tuán)隊(duì)的路線(xiàn)開(kāi)拓，并正在探索集成的可能。
——原子層后摩爾芯片。原子層器件具有天生的原子級(jí)銳利，因?yàn)闆](méi)有粗糙度的影響，所以可以保持理想的電子遷移率，非常適于疊層，可以進(jìn)一步提高器件的集成度。這一路線(xiàn)近年來(lái)受到了英特爾、臺(tái)積電和國(guó)際微電子中心等業(yè)界單位的關(guān)注，已經(jīng)演示了萬(wàn)門(mén)級(jí)晶體管電路，我國(guó)在這一領(lǐng)域也取得很多的進(jìn)展。
應(yīng)該說(shuō)，在探索原子制造的過(guò)程中，我們會(huì)不斷探索“完美工件、定制材料、量子信息、機(jī)體制造”的極限，每一個(gè)階段都有全新的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)革新，源源不斷地獲得更高性能的產(chǎn)品。
在原子制造新賽道上，各國(guó)站在同一起點(diǎn)
其實(shí)，對(duì)科技界而言，原子制造并不是新事物——1986年，美國(guó)科技智庫(kù)就提出，原子制造技術(shù)與人工智能可以并稱(chēng)為對(duì)人類(lèi)未來(lái)具有根本意義的兩大技術(shù)。但其時(shí)，人類(lèi)還并不具備這樣的能力。到了21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展讓科學(xué)家們看到了發(fā)展原子制造的可能和契機(jī)。
筆者認(rèn)為，原子制造將是所有國(guó)家的必然選擇。它史無(wú)前例地實(shí)現(xiàn)對(duì)原子的逐一精確操控來(lái)構(gòu)筑超常規(guī)塊材物性的產(chǎn)品，會(huì)是人類(lèi)未來(lái)上百年致力開(kāi)發(fā)的技術(shù)，也是長(zhǎng)期保障國(guó)家安全的必爭(zhēng)之地。
如今，在原子制造這個(gè)新賽道，所有國(guó)家站在同一起點(diǎn)。
我國(guó)在這方面有很好的基礎(chǔ)和積累。我國(guó)物質(zhì)科學(xué)界從20世紀(jì)80年代起就開(kāi)始關(guān)注這些基礎(chǔ)方向，包括STM原子操控、原子團(tuán)簇、原子層器件、色心、單原子器件、原子級(jí)裝配等方向。最近幾年，這些方向快速發(fā)展，開(kāi)始具備與國(guó)外接近的基礎(chǔ)研究能力。90年代，機(jī)械學(xué)科的學(xué)者就開(kāi)始思考將這些能力推向加工制造，并取得初步進(jìn)展。
近年來(lái)，我國(guó)在原子制造方面持續(xù)布局。2016年，原子制造就得到國(guó)家層面的關(guān)注；2018年，中科院推出了“功能導(dǎo)向的原子制造前沿科學(xué)問(wèn)題”先導(dǎo)計(jì)劃，南京大學(xué)成立了全國(guó)第一個(gè)原子制造創(chuàng)新研究中心；2019年，華為成立了戰(zhàn)略研究院，其三大科學(xué)問(wèn)題之一就是原子制造；2021年浙江大學(xué)成立了原子精度制造平臺(tái)，之后，天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和西南交通大學(xué)等單位相繼成立專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)；2022年，兩院院士選出的十大科學(xué)問(wèn)題，關(guān)注了原子制造；2023年3月，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)兩個(gè)學(xué)部連續(xù)召開(kāi)兩次高端論壇，分別討論了“原子級(jí)制造的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”與“原子制造的物質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)”；不久前，在以“高端制造”為題的中科院雁棲湖論壇上，與會(huì)的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家票選了高端制造前沿十大科學(xué)問(wèn)題，原子制造位列其中。
發(fā)展原子制造，沒(méi)有可供參考的路線(xiàn)圖，沒(méi)人能回答哪條技術(shù)路線(xiàn)能成功，需要我們自主探路。這對(duì)科技工作者和管理者都提出了更高的要求：需要我們鼓起勇氣，直面物質(zhì)科學(xué)的核心難題；需要我們謹(jǐn)守學(xué)術(shù)理念，謹(jǐn)守人們對(duì)于制造的期待，不能把一些沒(méi)有進(jìn)入原子尺度的工作簡(jiǎn)單改個(gè)名字；需要我們進(jìn)一步夯實(shí)原子尺度物質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)研究，從中深刻挖掘，集合物質(zhì)科學(xué)、制造科學(xué)等領(lǐng)域的科研力量；需要我們從制度上創(chuàng)新，鼓勵(lì)探索、允許失敗、摸索前行，在原子制造新賽道實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的創(chuàng)新超越。
（作者：宋鳳麒、戴慶、張敏昊，分別系南京大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員、南京大學(xué)特聘副研究員）
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