原子制造未來在途(2)

2023-11-07 18:24:23光明日報

　　——原子操縱與分子手術。1990年，IBM公司的科學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，中國科學院和很多大學的實驗室已經(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)實現(xiàn)原子精度圖案的批量制備，圖案分辨率可達0.768納米。

　　——原子團簇材料與裝備。當代初級階段的原子數(shù)控制就有很大的價值：人類發(fā)現(xiàn)的C60已經(jīng)成為當今光伏產(chǎn)業(yè)中的一個核心材料；南京原子制造研究所能讓硅、鎳等團簇粉體的焊接、燒結溫度從1400攝氏度下降到400攝氏度甚至更低；實現(xiàn)半導體注入深度降到5納米以下；實現(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年美國康奈爾大學報道了第一個單原子晶體管的原型器件；同年美國哈佛大學等單位報道了類似的器件工作；2012年，澳大利亞新南威爾士大學宣布基于STM技術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（每個量子點約含25個磷原子）為核心的電路進行了量子模擬。2020年，我國南京大學等單位也報道了基于三端晶體管架構的單原子存儲晶體管，其中利用柵壓調控單個Gd原子的位置；2022年，同樣的思路廈門大學等單位又演示了室溫的14種布爾邏輯操作；最近南方科技大學等單位在沿著澳大利亞團隊的路線開拓，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，因為沒有粗糙度的影響，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)界單位的關注，已經(jīng)演示了萬門級晶體管電路，我國在這一領域也取得很多的進展。

　　應該說，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、機體制造”的極限，每一個階段都有全新的應用場景，通過持續(xù)的技術革新，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

　　其實，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。但其時，人類還并不具備這樣的能力。到了21世紀，科學技術的迅猛發(fā)展讓科學家們看到了發(fā)展原子制造的可能和契機。

　　筆者認為，原子制造將是所有國家的必然選擇。它史無前例地實現(xiàn)對原子的逐一精確操控來構筑超常規(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，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。

　　我國在這方面有很好的基礎和積累。我國物質科學界從20世紀80年代起就開始關注這些基礎方向，包括STM原子操控、原子團簇、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研究能力。90年代，機械學科的學者就開始思考將這些能力推向加工制造，并取得初步進展。

　　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注；2018年，中科院推出了“功能導向的原子制造前沿科學問題”先導計劃，南京大學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，其三大科學問題之一就是原子制造；2021年浙江大學成立了原子精度制造平臺，之后，天津大學、北京航空航天大學和西南交通大學等單位相繼成立專門的研究機構；2022年，兩院院士選出的十大科學問題，關注了原子制造；2023年3月，國家自然科學基金委員會兩個學部連續(xù)召開兩次高端論壇，分別討論了“原子級制造的基礎科學問題”與“原子制造的物質科學基礎”；不久前，在以“高端制造”為題的中科院雁棲湖論壇上，與會的國內外專家票選了高端制造前沿十大科學問題，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，直面物質科學的核心難題；需要我們謹守學術理念，謹守人們對于制造的期待，不能把一些沒有進入原子尺度的工作簡單改個名字；需要我們進一步夯實原子尺度物質科學的基礎研究，從中深刻挖掘，集合物質科學、制造科學等領域的科研力量；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現(xiàn)先進制造技術的創(chuàng)新超越。

　　（作者：宋鳳麒、戴慶、張敏昊，分別系南京大學教授、中國科學院國家納米科學中心研究員、南京大學特聘副研究員）