瞭望 | 原子級制造驅動未來產(chǎn)業(yè)

原子級制造將當代化學從分子到分子的合成，直接轉變?yōu)閺脑拥椒肿拥膭?chuàng)造

“此前利用掃描隧道顯微鏡操縱原子，就是用一個微觀的手逐一追逐原子，但原子不聽話，無法規(guī)模化操控，更無法制造產(chǎn)品。原子級制造的核心是規(guī)模化操控原子。我們不追單原子，而是直接控制原子團簇。”

當代離子束加工是靠物理式轟擊，不可避免地產(chǎn)生3～5納米損傷，而利用精準的原子操控，可以在超精密加工過程中實現(xiàn)單原子級低損傷和粗糙度的極限

瞄準建設原子級制造大科學裝置的長期目標，南京市與南京大學在原子極限微制造實驗設施預研階段就已打破機制壁壘，解決人才短缺瓶頸，集中多方優(yōu)勢力量進行科研攻關

文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順

在南京原子制造研究所(南京大學原子制造研究院)內一個足球場大小的實驗室中，一套能夠進行原子規(guī)模化操控的原子極限微制造實驗設施彎曲排列，宛如一條游龍。南京大學教授宋鳳麒正和團隊成員對裝置各部分進行測試、組裝，迎接即將到來的驗收工作，他告訴記者，研制這臺原子極限微制造實驗設施，是為將來研發(fā)全球第一臺原子級制造大科學裝置做預研。

原子是物質世界最基本的組成單元。原子級制造顧名思義，就是將原子按需壘砌，構筑原子級精準、完美，且具備從物性上遠超常規(guī)塊材的產(chǎn)品，被科技界視為人類改造物質世界的終極能力之一。

原子級制造是一條全新賽道，國內外同時起步、基礎相當，組織得當，有可能成為中國制造發(fā)展的一個引領機遇。

“國內原子團簇研究已經(jīng)有40多年的積淀，我們也做出了實驗室原理樣機。2023年，我們開始制造原子極限微制造實驗設施，跑通了一套‘團簇束流+磁電雙聚焦質量分離譜儀+Stark型結構分離譜儀’的原子規(guī)模化精準操控方案，目前可以演示器件的原子級加工，例如芯片的近零損傷加工與晶圓原子級拋光等，從長遠看將沖擊科學前沿，直接從最底層用原子造分子、造材料，創(chuàng)造出自然界沒有的物質。”宋鳳麒向《瞭望》新聞周刊記者介紹。

我國正加速推動以原子級制造為代表的未來產(chǎn)業(yè)，工業(yè)和信息化部原子級制造“揭榜掛帥”任務已啟動實施，原子級制造國家重點研發(fā)計劃呼之欲出。

“原子級制造面對的挑戰(zhàn)中，最關鍵在基礎設施與裝備部分，原子級制造大科學裝置是其中最核心的內容。”宋鳳麒認為，原子級制造大科學裝置將是束流流量最強、質選范圍最寬、結構控制最精的團簇束流綜合系統(tǒng)，將加工能力從當前的納米推向原子極限，從利用材料走向從原子批量創(chuàng)制材料。“原子極限微制造實驗設施的成功建設，跑通了科學原理，獲得了三個能力——能造分子、能造材料、能加工器件，這些工作為建設原子級制造大科學裝置提供了可行性驗證。”

原子極限微制造實驗設施(2025年1月攝) 受訪者供圖

中國制造實現(xiàn)引領的一個戰(zhàn)略選擇

每年全球氮肥生產(chǎn)都要消耗大量化石能源，科學家發(fā)現(xiàn)，大豆能與根瘤菌形成共生關系，根瘤菌中的固氮酶負責將大氣中的氮氣轉化為氨，供植物使用，如果能模仿固氮技術，氮肥生產(chǎn)將變得高效。科學家雖很早就開始理解固氮酶活性中心的組成，但如何合成具備活性的中心，困難重重。今天，原子級制造技術提供了可能性。

“我們理論上能夠操控原子搭建出各種結構，包括固氮酶中心，但效率低，而且要讓原子‘聽話’，挑戰(zhàn)很大。”宋鳳麒說，傳統(tǒng)制造中，制造的精度、范圍和效率是互為矛盾的三角，對原子級制造而言，三者的矛盾更加突出，操控原子本身難度非常大，批量操控特定原子合成分子難度更大。原子級制造大科學裝置有望突破這一難題，但其中大量瓶頸問題亟待解決。

要實現(xiàn)規(guī)模化的原子級制造，首先需要極致精巧的操控技術。單個原子直徑約為0.1～0.5納米，1納米相當于一根頭發(fā)絲直徑的十萬分之一。在宏觀工件上定位一個原子，相當于在4萬公里的地球赤道上找到一塊僅1厘米的糖。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。

其次要突破科學原理上的挑戰(zhàn)。從熱力學來看，壘砌100個原子，并不是線性的100個原子累加，而是隨著原子數(shù)的增加，面臨著體系熵非線性急劇上漲。即在第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(shù)百萬種相同能量優(yōu)先級的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構型產(chǎn)品的可能性逼近零。

上世紀80年代開始，國內外原子制造研究幾乎同時起步。但無論科學原理還是關鍵技術，都極大挑戰(zhàn)人類認知和能力范疇，研究進展緩慢。1984年，王廣厚院士最早開展了團簇物理的基礎研究并研制相關儀器，宋鳳麒師從王廣厚院士，并于2008年出國留學學習原子操控技術。

“我留學的英國伯明翰大學，2016年時已經(jīng)實現(xiàn)當時最大規(guī)模的成簇原子控制，每秒控制10億次原子。但這依然是實驗室‘魔術’，是氣相物理不是固體物理，做不出成規(guī)模的材料與器件。”宋鳳麒說。

2010年宋鳳麒留學回國后繼續(xù)開展相關工作。2016年，國家重點研發(fā)計劃啟動“納米科技”專項，部分項目涉及原子尺度的材料設計與操控。2018年，南京市與南京大學共建了國內首個原子制造研究中心。期間，宋鳳麒擔任某國家級課題組負責人，帶領課題組突破多個技術挑戰(zhàn)、數(shù)次迭代原子級制造裝備，在2019年大幅提高加工效率，實現(xiàn)幾分鐘內將一張1英寸硅晶圓打上原子簇顆粒，用來制造傳感器。該原子級制造裝備入選國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展。

在南京原子制造研究所內，科研人員正在調試高強度團簇束流源(2025年3月19日攝) 受訪者供圖

“沿途下蛋”迎來物質“創(chuàng)造”曙光

宋鳳麒團隊在預研原子極限微制造實驗設施過程中，數(shù)個成果已經(jīng)產(chǎn)出商業(yè)應用產(chǎn)品，達到了“沿途下蛋”效果。

“此前利用掃描隧道顯微鏡操縱原子，就是用一個微觀的手逐一追逐原子，但原子不聽話，無法規(guī)模化操控，更無法制造產(chǎn)品。原子級制造的核心是規(guī)模化操控原子。我們不追單原子，而是直接控制原子團簇。在原子極限微制造實驗設施，讓大量的原子凝聚碰撞，并設定一個微環(huán)境控制凝聚的尺寸，最終使原子數(shù)目、種類和結構得以精準操控。這一方法每秒操控原子可以突破萬億次，形成了真正的原子級制造能力。”宋鳳麒介紹。

原子極限微制造實驗設施有三個組成部分，分別是高強度團簇束流源、磁電雙聚焦質量選擇譜儀、Stark型結構分離譜儀。這一整套支撐原子級制造發(fā)展的特色核心技術方案均由我國科研團隊首次提出和攻關完成，并均已通過預研設備證明了方案可行性。

“高強度團簇束流源是原子的產(chǎn)生端，它能夠將金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生很高濃度受控原子蒸汽，最終凝結成能被控制、處理的有能量質量的帶電團簇，就像冬天哈一口氣凝結成水珠，我們是把金屬蒸汽凝結成固體。”該項目負責人胡國睿介紹，類比大型粒子加速器對撞電子，對撞產(chǎn)生的能量轉化為新粒子，高強度團簇束流源也要使原子對撞，讓原本被打散的原子再次按人們的需要“粘”在一起，形成3個至數(shù)百個原子聚合的團簇。

高強度團簇束流源是目前世界上體量最大的束流源，研制過程中，團隊攻克了產(chǎn)生高濃度受控原子蒸汽的系列難題，并與中國科學院近代物理研究所合作進行了磁鐵束流線技術攻關與設備建設，解決了束流凝結操控難題。

在實驗室，記者見到了高強度團簇束流源預研裝置產(chǎn)出的成果——原子級尺寸的鎳粉體。鎳是通過金屬鍵形成的晶體結構，由大量鎳原子通過金屬鍵無限延伸排列形成，因此鎳晶體本身是一個巨型結構。而鎳原子級粉體只有幾百個原子，這一原子級尺寸控制可以大幅降低熔點和材料處理的溫度。例如發(fā)動機機匣的修復需要達到1200℃，而使用原子級尺寸的鎳粉體，可在1000℃以下完成修復。

由于鎳原子級粉體只需注意原子數(shù)量，凝結幾百個原子的鎳晶體就能產(chǎn)生特異性，不需要精確地控制原子排列結構，因此只需高強度團簇束流源這一部分設備即可生產(chǎn)鎳原子級粉體。

磁電雙聚焦質量選擇譜儀、Stark型結構分離譜儀具備挑選原子團簇質量、結構的功能，把“粘”在一起的原子分別送入這兩個部分，將符合要求的原子團簇留下，不符合要求的剔除。宋鳳麒團隊與中國科學院化學研究所、吉林大學、同濟大學、上海交通大學等團隊合作，共同攻克了離子漏斗技術、分子篩選技術中的諸多難題，得以精確質量篩選確定原子團簇中原子數(shù)量、選擇原子團簇中原子排列結構。這就將當代化學從分子到分子的合成，轉變?yōu)閺脑拥椒肿拥膭?chuàng)造。

此外，在預研原子極限微制造實驗設施的過程中，宋鳳麒團隊發(fā)現(xiàn)設施產(chǎn)生的原子團簇可以精確載能，由此具備了進行原子級加工能力。當代離子束加工是靠物理式轟擊，不可避免地產(chǎn)生3～5納米損傷，而利用精準的原子操控，可以在超精密加工過程中實現(xiàn)單原子級低損傷和粗糙度的極限。

他們據(jù)此研制了一臺晶圓加工樣機，記者在一塊晶圓上看到，經(jīng)單原子層無損傷加工后的一半晶圓明顯比另一半未經(jīng)原子級處理的晶圓亮度高。“這些成果已經(jīng)證實了原子極限微制造實驗設施驅動未來產(chǎn)業(yè)的潛力。”宋鳳麒說。

有組織科研建設大科學裝置

在南京原子制造研究所的周邊，南京市政府預留出了空地，為將來建設原子級制造大科學裝置提供場地，屆時總占地面積將達到30畝。

聚焦江蘇打造具有全球影響力的產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心的目標，2023年，南京市政府和南京大學共同啟動原子極限微制造實驗設施建設，希望通過成功預研，為將來啟動大科學裝置建設提供理論與技術基礎。

宋鳳麒認為，原子級制造效率提升難，大科學裝置是突破核心技術的關鍵條件。從當前技術來看，原子操控的數(shù)目需要再突破3個量級，效率需要再突破5個量級，才能滿足產(chǎn)業(yè)需求，而這只有大科學裝置能夠辦到。如果將原子極限微制造實驗設施比作一輛實驗室模擬樣車，那么原子級制造大科學裝置就是一輛豪華大巴車，載客量、動力、功能都會有極大提升。

原子級制造是物理、材料學等多學科交叉的前沿領域，瞄準建設原子級制造大科學裝置的長期目標，南京市與南京大學在原子極限微制造實驗設施預研階段就已打破機制壁壘，解決人才短缺瓶頸，集中多方優(yōu)勢力量進行科研攻關。

南京大學前沿科學學院院長姜田介紹，南京大學本著聚焦國家重大戰(zhàn)略、集中力量辦大事思路，按需設計體制推進任務，建設有組織科研示范區(qū)。“原子極限微制造實驗設施的規(guī)模、人才結構需求不同于常規(guī)科研。學校在前沿科學學院下設原子制造研究院，學校提供50個編制名額。前沿科學學院則像是一個孵化器，為原子制造研究院提供資產(chǎn)管理等基礎保障。”姜田告訴記者，此外南京市政府也依托宋鳳麒團隊成立了南京原子制造研究所，同樣提供50個編制名額。南京原子制造研究所、南京大學原子制造研究院都由宋鳳麒擔任所長、院長，由其帶領團隊開展科研攻關。

作為有組織科研示范區(qū)，南京大學原子制造研究院在人才培養(yǎng)機制方面打破常規(guī)，例如負責建設處理晶圓加工樣機的博士研究生衛(wèi)長正，將來畢業(yè)時研究院只需對其裝備研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化情況進行考核，不看論文發(fā)表情況。不同梯次的人才，構建出從高端研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應用“全鏈條”的學科建設和人才支撐體系，成為攻堅原子級制造的生力軍。

“未來原子級制造產(chǎn)業(yè)需要技術和產(chǎn)業(yè)的雙重開發(fā)，建議加快布局原子級制造大科學裝置，并配套建設產(chǎn)業(yè)先導示范區(qū)，深入推進技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)，發(fā)展相關高端產(chǎn)業(yè)，加快打造引領全球的產(chǎn)業(yè)技術集群和先進制造業(yè)集群。”宋鳳麒說。

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