蘇州的午后，陽光炙熱，在一座不起眼的灰白色大樓內，長達227米的銀色超高真空管道，互聯起50余臺大型設備，研發人員正有條不紊地開展實驗。
這里是中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）的NANO-X納米真空互聯實驗站，也是地球上最接近月球真空環境的大型科研場所。
近日，在香山科學會議第789次學術討論會期間，數十名與會專家走進納米真空互聯實驗站，參觀其在信息材料與信息器件領域的突破進展。
“未來信息器件如何在前期預研的真空互聯實驗裝置上實現原子級制造，其中有很多科學問題和關鍵技術值得討論。”中國科學院院士薛其坤在致辭中表示。
本次香山科學會議聚焦“‘信息器件原子級制造實驗裝置’關鍵科學技術問題”的主題，中國科學院院士薛其坤、詹文龍、劉明、遲力峰，蘇州納米所所長王強斌研究員擔任會議執行主席。來自物理、化學、材料、人工智能、精密儀器等領域的專家齊聚一堂，圍繞原子級制造核心科學與技術挑戰開展深入研討。
小原子、大裝置
原子是構成物質世界的基本組成單元，直徑通常位于10-10米、0.1納米量級，比人類的頭發絲還要細100多萬倍。原子級制造是將原子精準操控、按需構筑，創制特定功能的材料或器件，是我國具有戰略性、引領性的未來產業之一。
“原子級制造有望顛覆傳統制造范式，引發基礎科學突破以及產業技術變革?！碧K州納米所研究員、NANO-X納米真空互聯實驗站主任張珽介紹道，尤其是集成電路芯片中的核心信息器件工藝已經達到了2 nm節點制程，正在邁入“原子級制造”時代。
然而，原子級操控對設備、系統以及基礎設施裝置的要求極高，需要盡最大可能排除外界環境因素的干擾。
“傳統常規超凈間的大氣環境已無法滿足需求，特別是氧、碳、水氣分子等對原子級材料和器件性能帶來致命的不利影響?！睆埇E表示，在超高真空（10-8Pa）條件下，材料的本征物理化學性質得以長時間保持，有望制造出接近理論極限性能的器件。專家們一致認同超高真空互聯技術已成為原子級制造不可或缺的條件。
“然而，當前國內外缺少針對原子級制造的系統性基礎設施。”中國科學院院士、納米真空互聯實驗站學術委員會主任遲力峰告訴《中國科學報》。而該實驗裝置將建設包括AI賦能的超高真空互聯的原子級材料創制、原子級器件加工和原子級高分辨分析檢測三大平臺，以期為我國下一代集成電路等信息器件的發展創新奠定原子級制造新技術路線，對原子級制造重大科學前沿領域形成有前瞻性的戰略布局和系統突破能力。
張珽介紹，作為基礎設施的預研，納米真空互聯實驗站已聚焦III-V族納米材料和器件、高溫超導材料和器件、表面催化和納米能源、二維材料與器件等領域的共性難題，開發了多學科交叉的、可控條件下的新技術、新工藝、新材料。
同時，工藝技術和工程實踐的突破也帶動著科學研究的深化。“原子級制造的機制不再是經典力學的領域，而是量子力學的范疇，需要同步開展科學研究的探索?！边t力峰表示。據介紹，該實驗站目前已開展合作課題780個，服務超280家用戶，取得了系列重要科研成果，申請核心專利380項，已授權106項。
與會專家參觀NANO-X納米真空互聯實驗站。主辦方供圖
吹響關鍵技術“沖鋒號”
“當前信息器件原子級制造研究領域仍面臨原子級材料按需創制、高時空分辨動態表征、原子級器件精準加工三個重要關鍵問題。”張珽表示，這些也是本次香山科學會議的焦點。
在材料方面，隨著集成電路進入2 nm技術節點，摩爾定律逼近物理極限，研制面向1 nm及以下制程的下一代集成電路信息材料與器件成為全球焦點。
“原子級二維半導體材料是開發2030年‘后摩爾時代’芯片最受矚目的材料體系之一，其晶圓級精準創制及異質集成是實現這一目標的關鍵。”武漢大學物理科學與技術學院院長何軍指出。
二維半導體憑借其原子級厚度和卓越的電學性能而廣受關注，但受制于工藝精度與均勻性的協同良率控制，能否將其應用于集成電路存在爭議。
北京科技大學教授張錚基于長期二維半導體材料研究，分享了在2英寸單晶單層二硫化鉬高質量生長中的工作，并建設了6英寸二維半導體材料與原型器件試驗平臺，充分驗證了二維半導體材料在集成電路應用的可行性。
但實際上，任何晶體都存在不完整的地方。其中，半導體點缺陷是晶體中原子尺度的局部缺陷，影響材料的電子性能和結構穩定性，對半導體表征分析提出更高要求。
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員申德振基于長期觀察研究，分享了單原子級分辨的拉曼振動光譜表征分析技術，并進一步探討該技術在硅基半導體原子制造器件與芯片檢測、單原子尺度精準的半導體量子器件制造等領域的發展前景。
最后，在信息器件原子級制造方面，中國科學院微電子研究所研究員汪令飛以跨尺度器件原子級tcad（半導體工藝模擬以及器件模擬工具）技術為例，表示隨著真實器件越小，對其仿真模擬越困難，多尺度下的物理機制與協同優化方法越復雜，需要探索在盡可能降低精度損失基礎上提升仿真效率的方法。
AI賦能原子級制造
“隨著技術的發展，研究范式已從實驗、計算、理論的‘三足鼎立’變為‘四分天下’，數據成為新增的關鍵變量?！敝袊嗣翊髮W物理學系吳玉章講席教授季威表示。
當前，基于人工設計思路或融合生成模型的高通量計算仍是發現和創制新材料的主要驅動力?！霸佥o助以實驗結果的主動學習，有望系統回答新材料創制的核心問題。”季威說，在材料創制和器件構筑過程中，機器學習原子間勢函數已成為提高模擬效率、延長模擬時間，擴展模擬尺度的關鍵技術工具，“以前是先實驗、再計算，而伴隨人工智能技術的發展，未來將變成先計算、再實驗?！?span style="display:none">3Nc速刷資訊——每天刷點最新資訊，了解這個世界多一點SUSHUAPOS.COM
中國科學技術大學化學與材料科學學院教授羅毅則指出，原子級制造將重塑半導體、能源等產業格局，但目前仍存在超大規模材料結構、組分精準構筑與功能優化等關鍵瓶頸，阻礙著新材料創制。
“人工智能機器化學家系統可為此提供數據比特驅動的解決方案?！绷_毅表示，人工智能模型的精準度依賴于數據的規模和精度，機器化學家系統兼具文獻讀取、合成、表征、性能測試、機器模型建立和優化等能力，可以全自動完成全流程科研任務，并通過實現高通量數據采集，建立起高質量、全生命周期的數據庫，推動原子級制造推動向智能化制造轉型。
羅毅以原子層沉積和單原子催化劑高通量篩選為例，介紹了人工智能機器化學家的基本形態和工作方式?！耙獦嫿āR-數據-算法-算力-實驗’全鏈路的智能基礎設施。”羅毅解釋道，其中包括集中式智能平臺、分布式創新設施，力爭在新材料、能源催化、生命健康等領域解決相關原子經濟性問題。
“在高分子材料設計中，人工智能能夠基于全量特種高分子知識庫，實現跨類別推薦，超越人類專家實現‘材料牽引’?！敝袊茖W院化學研究所研究員江劍強調，人工智能要謹防“大肚子模型”，即模型大，但真實數據少，極易導致嚴重幻覺問題。
與會專家一起討論并總結了原子級制造關鍵科學問題，亟需建設系統性的重大科技基礎設施予以解決。
本文鏈接：小原子也有大前景 專家共話原子級制造關鍵科學問題http://www.sq15.cn/show-11-27919-0.html
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