原子制造 未來在途(2)
2023-11-07 18:24:23光明日報(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）操縱原子撰寫了“IBM”字形，我國很快也撰寫出了“中國”字形。到今天，中國科學(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)代初級階段的原子數(shù)控制就有很大的價(jià)值：人類發(fā)現(xiàn)的C60已經(jīng)成為當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)中的一個核心材料；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)部分開始產(chǎn)業(yè)化。
——單原子晶體管。2002年美國康奈爾大學(xué)報(bào)道了第一個單原子晶體管的原型器件；同年美國哈佛大學(xué)等單位報(bào)道了類似的器件工作；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原子級量子集成電路，利用10個量子點(diǎn)（每個量子點(diǎn)約含25個磷原子）為核心的電路進(jìn)行了量子模擬。2020年，我國南京大學(xué)等單位也報(bào)道了基于三端晶體管架構(gòu)的單原子存儲晶體管，其中利用柵壓調(diào)控單個Gd原子的位置；2022年，同樣的思路廈門大學(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)的路線開拓，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銳利，因?yàn)闆]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。這一路線近年來受到了英特爾、臺積電和國際微電子中心等業(yè)界單位的關(guān)注，已經(jīng)演示了萬門級晶體管電路，我國在這一領(lǐng)域也取得很多的進(jìn)展。
應(yīng)該說，在探索原子制造的過程中，我們會不斷探索“完美工件、定制材料、量子信息、機(jī)體制造”的極限，每一個階段都有全新的應(yīng)用場景，通過持續(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，各國站在同一起點(diǎn)
其實(shí)，對科技界而言，原子制造并不是新事物——1986年，美國科技智庫就提出，原子制造技術(shù)與人工智能可以并稱為對人類未來具有根本意義的兩大技術(shù)。但其時，人類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家的必然選擇。它史無前例地實(shí)現(xiàn)對原子的逐一精確操控來構(gòu)筑超常規(guī)塊材物性的產(chǎn)品，會是人類未來上百年致力開發(fā)的技術(shù)，也是長期保障國家安全的必爭之地。
如今，在原子制造這個新賽道，所有國家站在同一起點(diǎn)。
我國在這方面有很好的基礎(chǔ)和積累。我國物質(zhì)科學(xué)界從20世紀(jì)80年代起就開始關(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、原子級裝配等方向。最近幾年，這些方向快速發(fā)展，開始具備與國外接近的基礎(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，我國在原子制造方面持續(xù)布局。2016年，原子制造就得到國家層面的關(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)問題”先導(dǎo)計(jì)劃，南京大學(xué)成立了全國第一個原子制造創(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，之后，天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和西南交通大學(xué)等單位相繼成立專門的研究機(jī)構(gòu)；2022年，兩院院士選出的十大科學(xué)問題，關(guān)注了原子制造；2023年3月，國家自然科學(xué)基金委員會兩個學(xué)部連續(xù)召開兩次高端論壇，分別討論了“原子級制造的基礎(chǔ)科學(xué)問題”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，與會的國內(nèi)外專家票選了高端制造前沿十大科學(xué)問題，原子制造位列其中。
發(fā)展原子制造，沒有可供參考的路線圖，沒人能回答哪條技術(shù)路線能成功，需要我們自主探路。這對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)守人們對于制造的期待，不能把一些沒有進(jìn)入原子尺度的工作簡單改個名字；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、中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員、南京大學(xué)特聘副研究員）
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