【科技日?qǐng)?bào)】操控原子，“按需造物”的時(shí)代來(lái)了？
在中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)，一條規(guī)模化的銀色超高真空管道貫穿其間，將50余臺(tái)大型科研設(shè)備連成整體。精密儀器星羅棋布，各種管線交錯(cuò)互聯(lián)。這就是全球規(guī)模最大、性能最優(yōu)、共享程度最高的真空互聯(lián)綜合實(shí)驗(yàn)裝置——納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（NANO-X）?？蒲腥藛T身著白大褂，專(zhuān)注操作設(shè)備系統(tǒng)。在這充滿未來(lái)感的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，他們正潛心探索著一項(xiàng)前沿技術(shù)——原子級(jí)制造。
如何讓這一重大科學(xué)裝置發(fā)揮最大效用？近日，物理、化學(xué)、材料、人工智能、精密儀器等領(lǐng)域?qū)＜覅R聚蘇州，召開(kāi)題為“‘信息器件原子級(jí)制造實(shí)驗(yàn)裝置’關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)”的香山科學(xué)會(huì)議，探討原子級(jí)制造關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)挑戰(zhàn)。
“推動(dòng)原子級(jí)制造領(lǐng)域的原始創(chuàng)新，具有重要戰(zhàn)略意義。當(dāng)前的一個(gè)探索方向是，如何在原子尺度實(shí)現(xiàn)信息器件的精準(zhǔn)制造，并建設(shè)出一個(gè)既蘊(yùn)含普遍科學(xué)意義，又提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重大科學(xué)裝置。”本次會(huì)議上，會(huì)議執(zhí)行主席、中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤表示，原子級(jí)制造涉及學(xué)科交叉，不僅體現(xiàn)共性科學(xué)問(wèn)題的探索，也反映了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的水平，需要科研人員的集體智慧。同時(shí)，必須緊密對(duì)接和凝練未來(lái)信息技術(shù)的實(shí)際需求，將前沿基礎(chǔ)研究能力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，形成具有中國(guó)特色的技術(shù)路徑和核心競(jìng)爭(zhēng)力。
原子為“磚”建“房屋”
原子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本組成單元。原子級(jí)制造，顧名思義，就是通過(guò)對(duì)原子的規(guī)?；珳?zhǔn)操控，以能量作用于原子或原子級(jí)基元，創(chuàng)制出具有特定功能的材料或器件。
傳統(tǒng)材料如同樂(lè)高積木，只能按固定形狀拼接；而原子級(jí)制造尺寸小，精度高，可以自由組合，按需壘砌，創(chuàng)造出性能逼近極限的“完美產(chǎn)品”甚至自然界沒(méi)有的物質(zhì)，被認(rèn)為是制造技術(shù)的終極形態(tài)。
“這是一件非常美妙、神奇的事情。”NANO-X主任張珽介紹，1989年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）的科研人員利用掃描隧道顯微鏡操作原子，用35個(gè)氙原子在鎳表面寫(xiě)出了“IBM”字樣。我國(guó)科學(xué)家也于1993年操縱硅原子，寫(xiě)出了“中國(guó)”兩個(gè)字。
以原子為“磚石”構(gòu)筑理想物質(zhì)世界，聽(tīng)起來(lái)很美，但要讓原子“聽(tīng)話”地接受規(guī)?；倏睾徒M裝，挑戰(zhàn)卻很大?！拔覀儾荒芟駢敬u那樣，用串聯(lián)的方式去一個(gè)個(gè)搬原子，而是用并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)批量精準(zhǔn)操控，這就要突破經(jīng)典制造極限?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、NANO-X學(xué)術(shù)委員會(huì)主任遲力峰說(shuō)。
“目前該領(lǐng)域研究已從單原子操控進(jìn)一步提升到幾十萬(wàn)原子的宏量操控。”張珽說(shuō)，“原子級(jí)制造能創(chuàng)造前所未有的新物態(tài)、新材料和新器件，并可以應(yīng)用于集成電路、量子計(jì)算、人工智能、高溫超導(dǎo)等諸多重要領(lǐng)域，已成為全球競(jìng)爭(zhēng)的新科技制高點(diǎn)。因此，各國(guó)都非常重視，競(jìng)相制定相關(guān)戰(zhàn)略計(jì)劃?！?/p>
當(dāng)前，原子尺度的相關(guān)產(chǎn)品處于萌芽階段，更多技術(shù)路線正在不斷研發(fā)中。中國(guó)正在加速布局“未來(lái)域”，并將原子級(jí)制造納入未來(lái)產(chǎn)業(yè)。
與會(huì)專(zhuān)家一致認(rèn)為，原子級(jí)制造是一條全新賽道，國(guó)內(nèi)外研究和布局基本上同時(shí)起步，基礎(chǔ)相當(dāng)；如果我國(guó)組織得當(dāng)，統(tǒng)籌有力，有可能使其成為中國(guó)制造躍升發(fā)展的重要機(jī)遇。
通用大國(guó)重器呼之欲出
“從早期實(shí)驗(yàn)室里原子操控的科學(xué)研究到原子級(jí)器件產(chǎn)品的制造，還存在理論、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備等方面的巨大鴻溝，需要一個(gè)綜合性的大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施從根本上來(lái)解決共性科學(xué)問(wèn)題，從而提升原子級(jí)精度操控的規(guī)模和效率?！睆埇E說(shuō)。
“原子級(jí)精度操控需要完全排除外界環(huán)境因素的干擾?！边t力峰說(shuō)，大氣環(huán)境是有雜質(zhì)的，特別是氧、碳、水氣分子等會(huì)對(duì)原子級(jí)材料和器件性能帶來(lái)不利影響，這就需要防止原子/分子級(jí)污染的超高真空環(huán)境，以抑制在制造過(guò)程中化學(xué)吸附和氧化反應(yīng)等帶來(lái)的材料和器件缺陷、位錯(cuò)等。
“國(guó)內(nèi)外缺少針對(duì)原子級(jí)制造的系統(tǒng)性基礎(chǔ)設(shè)施，難以體現(xiàn)核心優(yōu)勢(shì)?！睍?huì)議執(zhí)行主席、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所所長(zhǎng)王強(qiáng)斌介紹，研究所建設(shè)的真空互聯(lián)綜合實(shí)驗(yàn)裝置集材料生長(zhǎng)、器件加工、測(cè)試分析于一體，極大地提升了納米級(jí)器件研發(fā)和制造的效率。
記者了解到，該裝置主要針對(duì)集成電路信息器件中的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究。第一是原子級(jí)材料按需創(chuàng)制，就是讓原子“聽(tīng)話組裝”；第二是原子級(jí)器件精準(zhǔn)加工，這好比對(duì)芯片等器件進(jìn)行“原子微雕”；第三是原子級(jí)高時(shí)空分辨動(dòng)態(tài)表征，就像是給制造過(guò)程“拍原子電影”。概括地講，就是讓原子級(jí)制造“造得準(zhǔn)”“制得精”“看得清”。
“我們通過(guò)構(gòu)建信息材料與器件原子級(jí)操控新機(jī)理，發(fā)展出一條集成電路信息器件原子級(jí)加工制造路線?！睆埇E說(shuō)，“這是變革性的，將實(shí)現(xiàn)信息器件極限性能。”
AI賦能“制造”變“智造”
在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授羅毅看來(lái)，原子級(jí)制造的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)中，超大規(guī)模材料結(jié)構(gòu)、組分精準(zhǔn)構(gòu)筑與功能優(yōu)化將成為新材料創(chuàng)制的關(guān)鍵瓶頸，而人工智能機(jī)器化學(xué)家系統(tǒng)可為此提供數(shù)據(jù)比特驅(qū)動(dòng)的解決方案。
那么，在原子級(jí)制造中，AI如何賦能新材料創(chuàng)制和器件模擬？
“我們可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)收集，建立全世界最大最領(lǐng)先的開(kāi)源單原子催化劑數(shù)據(jù)庫(kù)及譜構(gòu)效智能模型，助力我國(guó)在原子比特智造領(lǐng)域領(lǐng)跑?！绷_毅說(shuō)。
中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)院教授季威認(rèn)為，就近期實(shí)踐而言，基于人工設(shè)計(jì)思路或融合生成模型的高通量計(jì)算仍是發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)制新材料的主要驅(qū)動(dòng)力，再輔以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主動(dòng)學(xué)習(xí)，有望系統(tǒng)回答特性新材料創(chuàng)制中“為何選”“如何制”“有何用”這三個(gè)核心問(wèn)題。
因此，NANO-X除了原子級(jí)材料創(chuàng)制平臺(tái)、原子級(jí)器件加工平臺(tái)和原子級(jí)高分辨分析檢測(cè)平臺(tái)之外，還將搭建原子級(jí)制造數(shù)據(jù)與智能化平臺(tái)?！拔覀兡壳耙呀?jīng)積累了很多高質(zhì)量的可靠數(shù)據(jù)，未來(lái)將打造數(shù)據(jù)庫(kù)，再結(jié)合專(zhuān)用大模型實(shí)現(xiàn)新材料創(chuàng)制、器件模擬以及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試等工作?！睆埇E透露。
圖為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站。
受訪單位供圖
科研人員在中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站分析數(shù)據(jù)。
受訪單位供圖
【延伸閱讀】打造大科學(xué)裝置要注重“沿途下蛋”
“打造原子級(jí)制造實(shí)驗(yàn)裝置，要注重‘沿途下蛋’，既要在科學(xué)層面進(jìn)行前沿探索，又要作出產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)，不斷提高制造水平?！苯?，在主題為“‘信息器件原子級(jí)制造實(shí)驗(yàn)裝置’關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)”的香山科學(xué)會(huì)議上，會(huì)議執(zhí)行主席、中國(guó)科學(xué)院院士詹文龍表示，我國(guó)應(yīng)積極把握歷史機(jī)遇，全力推動(dòng)原子級(jí)制造科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的深度融合，加速原子級(jí)制造產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所建設(shè)的納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（NANO-X）便是“沿途下蛋”的典范。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所所長(zhǎng)王強(qiáng)斌介紹，經(jīng)過(guò)前期預(yù)研建設(shè)，NANO-X已建成微觀機(jī)理準(zhǔn)原位分析、跨尺度性能測(cè)試等五大模塊平臺(tái)，形成了全真空環(huán)境下的納米材料和器件研究開(kāi)發(fā)的綜合實(shí)驗(yàn)裝置?！把b置各系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行，為真空互聯(lián)納米科技領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供了強(qiáng)有力支撐?！彼f(shuō)。
“大科學(xué)裝置有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以在一個(gè)系統(tǒng)里跑通所有工藝，從而打通創(chuàng)新研發(fā)的完整鏈條?！盢ANO-X主任張珽說(shuō)，目前，實(shí)驗(yàn)站已突破原子級(jí)制造相關(guān)的超高真空互聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)，在10年時(shí)間里組建了一個(gè)由200余人組成的工程研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
實(shí)驗(yàn)站不僅在二維材料與電子器件研究領(lǐng)域取得系列突破性進(jìn)展，還利用真空互聯(lián)技術(shù)積極開(kāi)展對(duì)外服務(wù)。
“邊建設(shè)邊科研，邊運(yùn)行邊服務(wù)，是我們的特色?！睆埇E介紹，實(shí)驗(yàn)站面向全球高校、研究機(jī)構(gòu)和高科技企業(yè)開(kāi)放，開(kāi)展合作課題780個(gè)，服務(wù)超280家用戶，服務(wù)機(jī)時(shí)超14萬(wàn)小時(shí)，合作用戶在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表381篇論文，取得了系列重要科研成果。實(shí)驗(yàn)站逐步建立起立足蘇州，輻射長(zhǎng)三角地區(qū)，延伸海內(nèi)外的用戶科研服務(wù)體系。
“我們的服務(wù)對(duì)象很大一部分來(lái)自企業(yè)。國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)前來(lái)尋求合作，特別是初創(chuàng)企業(yè)會(huì)先來(lái)這個(gè)平臺(tái)摸索工藝，利用真空裝置檢驗(yàn)材料的本征性質(zhì)，降低研發(fā)成本?！睆埇E舉例說(shuō)，江蘇洛瑪瑞芯片科技有限公司就把研發(fā)平臺(tái)放在這里，也產(chǎn)出了有影響力的重大成果。
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