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科普之窗

原子制造 未來在途

馮杰

2023-07-21 03:16

宋鳳麒 戴慶 張敏昊
光明日報( 2023年07月20日 16版)

智能化、數字化、自動化……未來制造業會是什么樣?科學家們如今有了一個新的選擇:原子制造。原子制造就是逐一精確地操控原子去制造產品,構筑原子級細銳、精準、完美而且具備超常規物性的產品。有人說,這可能是人類改造物質世界的終極能力之一。如今,這個聽上去有些科幻的技術,正逐步照進現實。

構筑原子級細銳、精準、完美,且具備超常規物性的產品

什么是原子制造?顧名思義,就是以原子為原料制造所需的材料和器件產品。它是近來被高度關注的原子級制造技術體系中的核心部分之一,將史無前例地實現對原子的逐一精確操控,將原子按需壘砌,構筑原子級細銳、精準、完美,而且具備從物理上遠超常規塊材物性的產品。微納制造已成為耳熟能詳的高新技術,原子制造將會成為微納制造后人類制造技術繼續微縮發展的趨勢,也將成為新物質創制中的極限。

我們需要強調的是,原子制造應是原子級的通用化技術體系,具有顛覆性意義。絕非是傳統的納米化制造,也不是現在制造技術的線性、體系化發展。

可以想象,原子制造有非常廣闊的應用前景。比如以下兩個應用場景:

極限集成芯片與未來信息器件。當今微納制造的芯片能力正在趨于極限,而原子制造能夠突破這一極限,甚至有可能在集成電路中實現量子計算。一方面,如果我們突破了原子制造技術,讓芯片特征尺度沿著微納制造的路線繼續縮小,就可以獲得器件性能的千百倍提高。根據公開的數據,IBM的2納米工藝每平方毫米集成了3.33億個晶體管,也就是在100納米×100納米的面積上集成了3.3個晶體管。如果我們能實現單原子的壘砌、操控、存儲和計算,每個原子不到0.5納米,當代芯片的集成度還有3-5個數量級的提升空間,業已證明,這種芯片還是存算一體的智能芯片。另一方面,單原子器件量子相干性特別好,有可能讓器件尺寸遠遠小于量子相干長度。這將帶來一個重要的效果:在一個高相干的量子體積里面,有可能出現成百上千的高質量的量子邏輯比特。很多人相信,50多個高質量的量子邏輯比特就可以實現超越經典的計算能力,實現量子計算機對傳統計算機的量子優勢。我們知道,量子技術的比特數實際上是一個維度,所以從50位到上千位不是信息量增加了20倍,而是維度上的增加,因而有可能出現計算能力的巨大上漲,這樣1毫米大的器件的計算能力,就有可能超過一個當代的超算中心。

人工材料創制與未來機體定制。曾有測算,一種新材料從設計到應用開發需要18年;而以往的研究告訴我們,可能要上千個材料才有1個有應用價值。很多化學家和材料學家可能終其一生都無法獲得真正具有應用價值的新材料。但如果人類能實現原子制造,那就可以用原子壘砌,避開部分困難的合成路徑,直接搭建分子和材料,從而形成一種快速制備新物質和新材料的物理路線,工程化地加速新材料的開發。這最起碼可以讓研究人員在高效合成探索之前就可以知道這些材料的基本物性,這將極大地節約科學家們的精力!我們可以工程化地設計、合成,加上檢測相互迭代,每年都開發出成千上萬的新材料,使人類的材料進入原子定制的時代。而類似的技術如果在尺度和效率上持續突破,人類甚至有可能實現器件和機體的定制。

從操控技術到科學原理,都面臨重大挑戰

從原子底層實現自由定制的未來非常美妙,然而,科學家們也不得不承認,原子制造太難了,無論是操控技術、科學原理還是制度建設都面臨著重大的挑戰。我們僅以原子制造的一個典型動作——原子的定位和壘砌來說明其難度。

首先,操控技術上需要極致精巧。在宏觀的工件上定位一個原子,相當于在地球赤道上找到一塊糖;逐個壘砌原子,相當于反復多次找到這塊糖,并且在這個位置上面精確地逐個放糖。要分清壘砌了一個原子還是兩個原子,就相當于達到分辨約為10-25千克質量的精巧控制能力。這談何容易!更不要說,壘砌一個原子根本不夠,我們需要一個線程甚至多個線程壘砌原子,實現效率、規模更是難上加難!

其次,科學原理上遇到挑戰。在一個自由體系中,壘砌100個原子,從熱力學來看,不是線性的100個原子累加,而是隨著原子數的增加,面臨著體系熵非線性急劇上漲。簡單點說,在第1個原子上壘砌第2個原子,壘砌位置從能量上看只有一個可能,但當壘砌到第100個原子的時候,可能有數百萬種相同能量優先級的壘砌方式,獲得所期待的加工原子構型產品的可能性將逼近零!這就意味著原子制造對外界控制的巨大需求!更不要說,尺寸更小以后,原子結構的量子特征將帶來更多的科學挑戰了。

初探原子制造的基礎已經具備,并有望支撐產業

科學家們對原子制造的未來充滿信心。原子制造雖然是未來技術,但是我們可以將其劃分為多個階段,當前就能找到幾個確定的路線初探原子制造,而且可能有用。以原子團簇為例,雖然從控制原子團簇的原子數目、控制原子結構到最終的高效智能定制,整個技術的發展可能需要上百年,但探索過程中的進步,哪怕是一些初級技術,都有巨大的價值和很好的產業化前景。舉幾個近年來或將可能初探的原子制造范例。

——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在大批量地開展原子操控,修整和制備全新的分子,已經可以操控冷原子制備冷分子。2022年,美國科技公司已經實現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控制就有很大的價值:人類發現的C60已經成為當今光伏產業中的一個核心材料;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;實現半導體注入深度降到5納米以下;實現選鍵式的表面處理等等,這些已經部分開始產業化。

——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界單位的關注,已經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,通過持續的技術革新,源源不斷地獲得更高性能的產品。

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,科學技術的迅猛發展讓科學家們看到了發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。它史無前例地實現對原子的逐一精確操控來構筑超常規塊材物性的產品,會是人類未來上百年致力開發的技術,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新研究中心;2019年,華為成立了戰略研究院,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新,鼓勵探索、允許失敗、摸索前行,在原子制造新賽道實現先進制造技術的創新超越。

(作者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)


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2023-07-21 11:17
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