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百原子及近原子尺度制造 ——制造技术发展趋势

  ─制造

  反映中国机械工程领域的重大学术进展,报道中国机械工程学会系统的最新学术信息,传播重大机械科技成果,不断跟踪世界机械工程最新动向,注重完善机械科技人员的知识结构。指引中国机械工程科学技术的发展方向。

  编者按:原子及近原子尺度制造是国际学术研究的前沿热点问题,作者在本文中就原子和近原子尺度制造技术的产生、发展现状及对未来科技发展的意义作了详细阐述,对这一国际前沿技术的科学价值、面临的科学问题、工程应用前景等关键问题进行了系统且深入的分析,并就今后发展战略提出了建议。本文在学术层面具有很好的创新性,对这一前沿研究方向将具有重要的指导作用,推荐大家阅读并探讨。

  纵观历史发展和国家兴衰的规律,每一次时代变革都离不开技术的创新,而近现代大国的崛起更离不开工业技术的变革。在工业生产过程中,“制造”是核心——制造出满足人们物质和精神需求的产品,制造是维护国家主权、维持国家繁荣昌盛的“国之重器”。所谓“制造”,是把原材料加工成满足使用者要求的产品的全工艺过程,其重点在于获得足够的性能指标以满足产品的最终使用需求。唯有把握制造技术的发展规律,引领未来制造技术的发展趋势,才能在新一轮的全方位大国竞争中赢得先发优势。制造的发展历程贯穿了人类诞生至今的历史,从制造的精度以及制造内在规律发展的角度来看,制造的发展经历了以下三个阶段:

  (1)制造Ⅰ:以经验和技艺为基础的手工成形过程(如石器、青铜、铁器时代),制造精度处于毫米级。

  (2)制造Ⅱ:基于机器的精度实现可控制造,制造精度(去除、转移、增加的材料尺度)从毫米级提高至微米级甚至纳米级。

  制造的本质是加工,当加工的尺度从微米、纳米向着原子尺度迈进时,原子尺度下的材料去除、迁移或增加等现象已无法通过经典理论进行解释。制造技术将从以经典力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的现代制造技术,走向以量子理论为代表的多学科综合交叉集成的下一代制造技术。制造Ⅲ区别于制造Ⅱ的本质属性是基础理论的不同,即以量子理论为核心基础。制造Ⅲ时代的到来已经是历史的必然选择,提前布局开展制造Ⅲ的研究与探索,是实现中国“制造大国—制造强国—未来制造”转型的战略抉择。

  制造是社会和经济、生产力发展的基础。当前有一种不完整的认识,认为有了芯片、网络、软件就有了一切。诚然,它们是重要的,但基础仍然是制造。首先,芯片是制造的产物,高端芯片依赖于高端制造,核心之一是高精度光刻机。其次,芯片、网络、软件仅仅解决信息(包括数据)的处理(包括计算)、存储、传输的问题,而信息的获取首先需要依赖于传感器和各种测量装置。没有精确的测量,人工智能,包括精确导航、导弹和卫星的发射、命中等都是一句空话。最后,需要有精确执行机构完成机械装置所要求的精准运动。目前,面向多种典型器件和重大需求时,传统制造技术与工艺、加工设备与机器以及基础支撑理论发展等已面临“瓶颈”,将加工对象视为连续性材料的制造思想也面临着严峻的挑战和无法逾越的鸿沟。

  高精度制造在科技和生产力发展中具有关键作用。以芯片为例,我国不能制造的是高端芯片,即线宽为几纳米的芯片,“卡脖子”的是高精度光刻机。中国被“卡脖子”的主要是高端产品,包括高端数控机床、轴承、飞机发动机等等,而“高端”首先体现在精度上。为实现高精度就需要纳米、乃至原子及近原子尺度的制造与运动控制技术。科技前沿研究的推进已越来越倚重于多学科交叉发展,并进入了快速变革的时代。ACSM是将能量直接作用于原子,通过构建原子尺度结构实现特定功能与性能,并实现批量生产、满足所需要求的前沿制造技术,是突破当前科技前沿制造瓶颈的下一代制造技术的主要发展趋势,对未来科技发展和高端元器件制造具有重大意义。

  当前我国在部分核心技术领域受到一些发达国家的钳制,这在一定程度上制约了我国经济的发展。我国一方面应大力布局加快核心技术研发,解决“卡脖子”问题;另一方面更要超前布局下一代前沿技术开发,把握未来制造技术“制高点”,实现国家经济的健康发展。还是以芯片为例,我国在微电子芯片制造的研究、开发与产业化方面已付出巨大努力,力求赶超发达国家已经达到的技术水准。倘若若干年后其他发达国家抢先掌握下一代制造技术,开发出下一代核心元件,我国不得不进入新一轮的追赶,甚至遭遇另一轮的技术壁垒。无论是目前炙手可热的量子芯片,抑或是其他尚未被预见的新的性元器件,当它们形成产品时,对新一代制造技术的需求将是必然。作为下一代制造技术的代表,原子及近原子尺度制造的启动、策划与实施,将对我国的科技战略发展起到重要的引领和支撑作用,有利于我国在下一轮科技竞争中占领先机。

  天津大学微纳制造实验室于2013年提出了制造历史发展的三个阶段,于2015年发表于《人民日报》,论述了原子及近原子尺度制造发展的必然趋势,并开展了纳米乃至原子尺度的材料去除的基础理论研究。尽管原子及近原子尺度制造是一个全新的领域,但国内外均已有研究机构在相关领域开展研究,并作为战略技术储备。

  美国国防高级研究计划局(DARPA)于 2015年底启动了从原子到产品(A2P)研究计划,旨在研制出一种装配方法,使制造出的大尺度材料、组件和系统能够保留纳米级材料的性能;针对电子产品与所处环境长期相互作用引起的可靠性问题,欧洲、美国等国家和地区的研究人员开展了“从原子到产品的可靠性”的研究,旨在从原子级层次研究减弱这种相互作用对系统可靠性的影响;2018年6月,加拿大阿尔伯塔大学的科学家尝试将机器学习用于原子制造,为推动原子尺度、低功耗电子产品的发展寻求解决方案,这一探索有望使得原子尺度制造和大规模生产成为可能。此外,日本大阪大学、英国思克莱德大学、美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室等高校和科研机构也开展了相关基础研究。

  中国工程物理研究院研究人员于2016年发表文章介绍了美国A2P理念,并结合强约束集成微系统,阐述了原子制造的意义。2019年4月,华为成立“战略研究院”,正式将原子制造确定为其重要探索方向之一,并召开专题研讨开始布局,旨在利用原子制造技术将摩尔定律极限进一步提升。目前,国内已有单位组建了“原子制造”相关研究平台:学于2018年底建立了原子制造创新研究中心,其研究内容包括开发新一代原子簇、二维原子层晶体和原子机器的材料与器件;中国科学院启动了战略性先导科技专项(B类)“功能导向的原子制造前沿科学问题”,天津大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、大连理工大学、国防科技大学、清华大学等高校及若干科研机构也开展了相关基础研究。需要说明的是,目前许多“原子制造”研究更多地聚焦于凝聚态物理的前沿热点方向,开发与设计新型原子团簇或低维功能材料,其研究核心有别于制造。制造是把原材料加工成满足使用者要求的产品的全工艺过程,其重点在于获得包括精度在内的性能指标以满足使用需求。ACSM指的是制造对象与过程直接作用于原子,跨越宏、微、纳观尺度,材料在原子量级被去除、转移或增加,将原始材料或部件转化为满足用户期望或性能要求的产品的所有必要步骤。ACSM旨在通过原子尺度的操作,最终得到具有预期功能的微器件,是真正意义上的功能定制,即根据所求功能,直接操纵原子,跨越现有材料特性限制,确定性地达到预期功能要求。

  芯片是体现国家制造水平与国际竞争力的核心器件之一,通过优化现有IC工艺来减小线宽已越来越困难,特征尺寸已经达到几纳米的量级,这预示着芯片的发展已经逼近其物理极限。新一代核心器件的出现已是必然,而实现新一代芯片制造技术必然是原子尺度的。ACSM对制造理论与技术的推动将是全新的,在第一代基于经验与艺术的制造以及第二代的精密与超精密制造中,量子效应是不明显的。对于ACSM,制造对象是原子尺度的,在原子尺度上,量子效应对制造过程与结果产生直接影响,这是制造Ⅲ与制造Ⅱ、制造Ⅰ的根本区别:ACSM的基础理论体系基于量子理论。

  ACSM打破了现有制造中材料的增、减与转移三种模式的明确界限,在极端情况下均归结为单原子运动与迁移过程。不管是自下而上的原子级组装,还是自上而下的原子级去除,电子态的调控(即键的形成与断裂)都是其基本过程。因此,ACSM具有完全不同于现有制造的理论框架,该框架的底层不再是基于诸如应力/应变、化学方程式或传统光学等原理,而将由量子力学所决定。ACSM应从基本物理定律出发(并非单纯的几何计算)对制造极限、精度等概念在原子尺度下的内涵进行重新定义,同时衍生出一系列新原理与新技术。例如,不同于现有制造中能量作用于材料的表面微元或体微元,ACSM中精确的原子操纵需要将能量直接作用于单个原子或原子团簇之上,因而要求能量场具有极高的空间分辨力。这种操控原理势必是基于原子尺度及原子与纳观尺度对象间相互作用机制的,并具有强量子效应。制造装备方面,目前的超精密机床与光刻机是通过对具有宏观尺寸的物体或能量束的精密控制来实现最终的制造精度,而ACSM的原子级过程则可能掀起微尺度到原子尺度机器的研究热潮。由于这一尺度下的相互作用与宏观力不同,传统的机械设计流程将被新方案所代替,甚至主轴、导轨等功能结构可能由大分子链或原子团簇组成。原子尺度的测量目前能够通过原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)以及扫描隧道显微镜(STM)等多种方法实现,而ACSM将赋予测量新的涵义。一方面,某些测量设备中的能量束已经可以用作加工;另一方面,ACSM的量子特性使测量过程具备了影响被测对象的可能性,这在现有制造中是未曾出现的。在量子理论中,测量被广义地理解为微观粒子与经典物体的相互作用,通过测量不仅能够获得、还会影响微观系统的状态,这很可能是ACSM中测量所具有的新特性。在下一代制造中,ACSM具有更强的多领域交叉性,原子尺度下精度与性能的实现也必然要融合几乎所有自然科学与技术领域的前沿发展成果。

  ACSM将对微观世界的物理、化学、生物等领域的研究提供强有力的支持,如构建结构更为复杂的人造材料、进行化学反应的精确控制以及基因片段的精确调控等。物理学家费恩曼于1959年提出了“There’s Plenty of Room at the Bottom”的思想,并由此开启了纳米时代。至今已经存在了诸多原子尺度的相关工作,如分子电路、分子机器等。作为下一代制造的核心技术,ACSM一方面需要借鉴这些工作,但更重要的是它将构建从原材料到满足用户需求的最终产品的一整套原子及近原子尺度解决方案,以包括精度在内的性能要求为第一要务,实现高效、高重复性与高性价比的产业化需求。

  完整的ACSM研究应该从原子及近原子尺度系统性地解决三类制造领域中较为共性的科学问题(分别与内在机理、工艺方法与装备以及评价体系相关),如下图所示。

  (1)科学问题一:单原子操作规律、多原子相互作用机理及ACSM与宏观尺度的联系。ACSM机理研究中的第一个问题是理解和认识单原子操作规律的基础问题,这个问题包括单原子捕获、移动和定位的完整过程,即实现单原子稳定捕获后需要继续完成高精度移动与定位,最终将单原子放置在原子级器件的指定位置。ACSM机理研究中的第二个问题在于认识广泛的多原子相互作用、多原子结构的形成规律、如何获取稳定结构及该结构对原子级器件最终使用性能的影响机制和影响程度,该问题是ACSM由基础研究走向应用的关键。ACSM机理中的第三个问题是认识ACSM与宏观尺度的联系,包括预测ACSM功能器件在宏观尺度的使用性能及量化ACSM,这是拓展ACSM应用范围、保证ACSM产品最终使用性能的重要科学问题。

  (2)科学问题二:能量直接作用在原子级基本制造单元。这一问题包含两个方面:一是要研究ACSM装备的设计原理(包括了结构设计和控制原理)和环境控制,形成适用于原子及近原子尺度的制造系统,在原子级器件的尺度下进行制造活动,该方面的核心是认识和了解在原子及近原子尺度下制造系统的物料流、信息流和能量流如何运动,并探索建立具有一定通用性的制造系统;二是在ACSM中,原子间的作用力不能被忽视,要认识和利用原子间的作用关系,研究使原子自发形成功能器件的自组装原理,并发展为较为通用的ACSM制造方法及相应装备。

  (3)科学问题三:原子及近原子尺度下的测量新特征。明确不同ACSM工艺方法和制造参数对原子级器件最终使用性能的影响规律是ACSM评价体系建立的关键科学问题。

  ACSM的总体目标是实现一个完整的系统性的原子及近原子尺度制造过程,这个制造过程可以完成原始材料或部件转化为满足用户需求的原子级功能器件或产品所有必要步骤,并在全过程中保证原子级精度与性能。这需要在机理、工艺方法、装备和检测评价体系等各个环节实现重大创新与突破。建立基于原子理论的ACSM基础理论体系是ACSM发展的首要目标和必要条件。

  ACSM涉及机械、物理、化学化工、生命科学和材料等多个学科,采用该技术制造的器件和产品有望应用于通信、信息存储与计算、航空航天、能源和医疗等众多领域。

  随着大数据时代的到来,传统的电子计算机已经越来越无法满足信息处理速度和存储能力的要求。更高的运算速度、更大的存储密度、更低的容错率以及便携化的需求可能需要依靠新一代的计算机——量子计算机实现。

  传统芯片的集成技术走向经典物理的极限时,计算能力的进一步提升必将依托于微观世界的量子化规则。量子芯片具有强大的信息处理能力:量子比特(qubit)得天独厚的叠加和纠缠特性,可极大提高运算速度和存储能力。谷歌开发的一款53 qubit的超导量子芯片“Sycamore”对随机量子线 s,而目前最强的超级计算机Summit需时长达1 万年(IBM研究人员针对该文的博客中称,只要满足硬盘驱动存储条件,谷歌测试的量子计算任务在现有的计算机上完成只需要2.5 天)。此外,量子计算还可以重新定义很多程序和算法,颠覆医疗、通信、密码等众多领域,是技术的重要科技之一。量子技术无可比拟的优势带来的是一场严峻的国际量子竞赛:谷歌、IBM、微软、英特尔、华为、阿里等高科技公司都为此投入大量研究力量。

  目前,量子点常见的合成方法有:有机相合成法、水相合成法、水热法和溶剂热法、微波辅助水热法、微乳液法等。但当前量子点的合成工艺较为复杂,而且产率较低,无法实现高位置精度的量子点制造。

  ACSM通过对单原子的直接操纵,有望实现量子点的高位置精度加工和高度复杂结构的制造,加工位置精度和产率将得到极大的提高。同时,ACSM可在加工中避免缺陷的产生,并能够对材料本身的缺陷进行原子尺度的修复。因此,ACSM技术的引入,将有望突破现有的技术壁垒,在下一代量子芯片开发领域占据主动地位。

  惯性导航系统由于其完全自主、不受干扰、输出信息量大、实时性强等优点,在高技术领域具有不可替代的优势。核心惯性器件陀螺仪的精度直接影响惯导系统定位和姿态输出的精度,所以惯性导航技术的发展从某种意义上讲可以等同于陀螺仪传感器技术的发展。利用原子德布罗意波的Sagnac效应的冷原子干涉陀螺,作为第三代量子物质波陀螺的代表,以其超高的测量精度,正成为惯性测量及航天控制领域的研究热点和战略关键。国际上众多机构都已着手于冷原子技术的探索。

  冷原子干涉陀螺仪以原子作为敏感介质,对原子经过激光的冷却、囚禁和操控等步骤以后,利用原子的能级性质、波动性质对原子波包操作实现干涉,进而可以形成类似环形激光陀螺的干涉现象,测量最终的干涉条纹即可得到载体的转动和加速度信息。在惯性导航领域,理论上原子陀螺仪的灵敏度比光学陀螺仪至少高一千倍。传统的惯性导航系统漂移大约是1.8 km/h,而基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航系统漂移理论上不超过10 m/h。

  在原子干涉陀螺仪的实现中,原子的冷却、囚禁和操作需要大量的光学器件作为支撑。为了在不牺牲精度的前提下使用便携设备实现原子俘获,可以使用光子集成电路代替传统的光学系统。光子集成芯片比传统的分立光-电-光处理方式降低了成本和复杂性,通过将很多的光学元器件集成在一个单片之中,大规模单片PIC使得系统尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高。此外,光子集成芯片的应用使得传输系统所需要的独立光器件数量大幅减少,同时大大减少了光器件封装的次数。使用光子集成电路制造的原子干涉陀螺仪不仅在系统尺寸上显著减小,而且在角灵敏度和动态范围方面也大幅度提高。

  DARPA于2018年发布的原子-光子集成(A-PhI)项目建议征集书中也将利用光子集成电路的原子干涉陀螺仪列为未来研究重点。利用ACSM将有望突破传统加工技术制造光子集成电路的瓶颈,实现新型原子干涉陀螺仪的稳定制造。

  随着制造技术的发展,材料制备不再局限于自然界已有材料,人类有能力突破表观自然规律的限制,逆向设计制造出具有超常物理特性的新型材料。这种具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料,被称为“超材料”。

  超材料功能特性取决于其人工结构,其设计制造理念是将一个个具有不同几何结构的纳米级人工原子重新排列组合,从而形成一种新型功能材料。值得注意的是,超材料只是广义上的新材料,而真正意义上的新材料应当是自然界不存在的具有全新微观物质结构和超常物理特性的新型材料。超材料结构的制备工艺主要有印刷电路板堆叠组装、机械加工及组装、微电子刻蚀工艺以及3D打印技术。超材料的功能特性由其微观结构和宏观结构共同决定,所以超材料的制造要同时兼顾其微观结构和宏观结构,这对其制造工艺提出了更高要求。未来,制造技术与超材料结构理论研究相结合是超材料研究发展的必然趋势。

  ACSM技术的出现和应用有望为超材料结构的制造和新材料的开发提供新的思路。ACSM能够直接作用于微观尺度粒子,可望实现对微观粒子和结构的精准操控和修复,从而优化超材料微观结构,最大限度地开发材料性能。基于ACSM技术,一方面可以根据不同的功能需求在原子尺度上对构成材料的基本单元和结构(原子、分子、电子、价键和晶格结构等)进行设计改造;另一方面,依靠ACSM对材料微观粒子和结构的精准操控,人类可以设计和制造自然界不存在的全新材料,开启功能性材料“定制化”新时代。ACSM技术的发展,可极大地释放新材料/超材料的设计自由度,将前沿科学设计变成科学产品,促进相关领域科研成果的快速转化,直至广泛应用。

  近年来,我国在半导体技术、集成电路、超材料制备等各关键科学领域已经取得了长足进步,但是不少核心技术受制于国外的现状仍然没有根本改变,亟需加强核心技术攻关、突破瓶颈,保障国防安全、相关供应链安全和产业安全。在当前复杂的国际形势下,工业半导体材料、芯片、器件及超材料制备的发展滞后将制约我国在通信、信息存储与计算、航空航天、国防、能源和医疗等重点领域的突破,进而影响与经济发展。

  针对目前多个前沿领域已面临相关瓶颈的问题,我国需要在现有研究规划的基础上,提前布局下一代制造技术,即原子及近原子尺度制造,抢占科技竞争先机。

  为了实现跨越式发展,突破敏感材料、关键工艺等发展瓶颈,我国应积极投入对ACSM的研究,开发原子级精度的制造装备。建议根据国家重大战略需求,组织相关专家进行科学论证,成立科学研究平台进行先行探索,以逐渐投入的方式进行孵化,为下一代制造技术的发展提供平台。

  ACSM的研究需要机械、物理、化学、材料及生命科学等多个学科不断进行学术交流,通过不同学术观点的争鸣和学术思想的碰撞、切磋、互相渗透和融合,扩大视野。建议针对ACSM的研究,成立相关交叉学科科研管理平台,为未来的学科建设凝聚一批水平高、学科综合交叉的研究团队,相辅相成地展开共同研究。

  建议国家尽快启动专家论证,组织多领域多学科专家针对ACSM发展开展深入探讨与论证。下图所示为ACSM发展简要规划建议。

  (1)建立国家ACSM科学研究平台。ACSM属于新兴前沿多学科交叉研究,该平台可依托物理、化学、制造、测量等多领域人才开展ACSM相关研究和论证,并基于多领域交叉优势致力于建设ACSM的机理、方法、技术,形成具有国际竞争力的研究平台,实现重大突破,占领国际制高点。

  (2)设立ACSM重大专项。该先导专项将凝聚一批多学科科学研究团队,致力于ACSM制造机理、工艺及测量等方面研究,实现理论的突破和新基础技术的发明,在优势互补基础上开展协同创新,加强关键技术联合攻关,同时通过专项的支持,培养出一批国际领军科学家和核心技术人才,引领国际ACSM领域发展方向。

  (3)设立创新人才培养专项。根据ACSM关键技术需要,开展ACSM探索性、原创性研究,依托高水平大学、科研机构和国内骨干企业,针对性地培养一批高端人才和团队,努力造就世界级科技大师及创新团队,建立有利于科技人员潜心研究的良好环境。设立小额度的种子项目,鼓励“大胆想象”、“风险高”的探索项目由青年科学家独立完成,助力青年科学家的创新,根据项目完成情况和后续研究计划给予持续支持,储备一大批有潜力的青年科学家。

  产生撰写一份 ACSM 报告的想法始于2015年,期间多次得到钟掘、姚建年、郭东明、董申、赵继等专家的热情支持和鼓励,但由于这份报告涉及内容宽,超过笔者的知识范围,在构思报告的框架时多次推翻又重新开始,因此一拖再拖。报告形成后,感觉只是少数同行朋友及团队师生交流又辜负了那么多支持这一想法的专家和整理大量资料及信息的老师和同学,所以冒昧地发表于《中国机械工程》,文中想法很不成熟,难免片面。

  作者简介:房丰洲,男,1963年生。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室教授、博士研究生导师,国际纳米制造学会 (ISNM)前主席、Nanomanufacturing and Metrology主编、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目首席科学家。研究方向为光学自由曲面设计与制造、生物医疗器件设计与制造、超精密加工与检测。