原子級製造將當代化學從分子到分子的合成，直接轉變為從原子到分子的創造

　　“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，無法規模化操控，更無法製造產品。原子級製造的核心是規模化操控原子。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單原子級低損傷和粗糙度的極限

　　瞄準建設原子級製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製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

　　在南京原子製造研究所（南京大學原子製造研究院）內一個足球場大小的實驗室中，一套能夠進行原子規模化操控的原子極限微製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，研製這台原子極限微製造實驗設施，是為將來研發全球第一台原子級製造大科學裝置做預研。

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

　　原子級製造是一條全新賽道，國內外同時起步、基礎相當，組織得當，有可能成為中國製造發展的一個引領機遇。

　　“國內原子團簇研究已經有40多年的積澱，我們也做出了實驗室原理樣機。2023年，我們開始製造原子極限微製造實驗設施，跑通了一套‘團簇束流+磁電雙聚焦品質分離譜儀+Stark型結構分離譜儀’的原子規模化精準操控方案，目前可以演示器件的原子級加工，例如晶元的近零損傷加工與晶圓原子級拋光等，從長遠看將衝擊科學前沿，直接從最底層用原子造分子、造材料，創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製造為代表的未來產業，工業和資訊化部原子級製造“揭榜掛帥”任務已啟動實施，原子級製造國家重點研發計劃呼之欲出。

　　“原子級製造面對的挑戰中，最關鍵在基礎設施與裝備部分，原子級製造大科學裝置是其中最核心的內容。”宋鳳麒認為，原子級製造大科學裝置將是束流流量最強、質選範圍最寬、結構控制最精的團簇束流綜合系統，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製材料。“原子極限微製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製造大科學裝置提供了可行性驗證。”

原子極限微製造實驗設施（2025年1月攝）   受訪者供圖

　　中國製造實現引領的一個戰略選擇

　　每年全球氮肥生產都要消耗大量化石能源，科學家發現，大豆能與根瘤菌形成共生關係，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，原子級製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’，挑戰很大。”宋鳳麒說，傳統製造中，製造的精度、範圍和效率是互為矛盾的三角，對原子級製造而言，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。原子級製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。

　　要實現規模化的原子級製造，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納米相當於一根頭髮絲直徑的十萬分之一。在巨集觀工件上定位一個原子，相當於在4萬公里的地球赤道上找到一塊僅1釐米的糖。逐個壘砌原子，相當於反覆多次找到這塊糖，並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。從熱力學來看，壘砌100個原子，並不是線性的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。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，可能有數百萬種相同能量優先順序的壘砌方式，獲得所期待的加工原子構型產品的可能性逼近零。

　　上世紀80年代開始，國內外原子製造研究幾乎同時起步。但無論科學原理還是關鍵技術，都極大挑戰人類認知和能力範疇，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並研製相關儀器，宋鳳麒師從王廣厚院士，並於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年時已經實現當時最大規模的成簇原子控制，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，做不出成規模的材料與器件。”宋鳳麒說。

　　2010年宋鳳麒留學回國後繼續開展相關工作。2016年，國家重點研發計劃啟動“納米科技”專項，部分專案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製造研究中心。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、數次反覆運算原子級製造裝備，在2019年大幅提高加工效率，實現幾分鐘內將一張1吋矽晶圓打上原子簇顆粒，用來製造感測器。該原子級製造裝備入選國家“十三五”科技創新成就展。

在南京原子製造研究所內，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“創造”曙光

　　宋鳳麒團隊在預研原子極限微製造實驗設施過程中，數個成果已經產出商業應用產品，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，無法規模化操控，更無法製造產品。原子級製造的核心是規模化操控原子。我們不追單原子，而是直接控制原子團簇。在原子極限微製造實驗設施，讓大量的原子凝聚碰撞，並設定一個微環境控制凝聚的尺寸，最終使原子數目、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製造能力。”宋鳳麒介紹。

　　原子極限微製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製造發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，並均已通過預研設備證明瞭方案可行性。

　　“高強度團簇束流源是原子的產生端，它能夠將金屬蒸發，產生很高濃度受控原子蒸汽，最終凝結成能被控制、處理的有能量品質的帶電團簇，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，研製過程中，團隊攻克了產生高濃度受控原子蒸汽的系列難題，並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。

　　由於鎳原子級粉體只需注意原子數量，凝結幾百個原子的鎳晶體就能產生特異性，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品質、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，共同攻克了離子漏鬥技術、分子篩選技術中的諸多難題，得以精確品質篩選確定原子團簇中原子數量、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，轉變為從原子到分子的創造。

　　此外，在預研原子極限微製造實驗設施的過程中，宋鳳麒團隊發現設施產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單原子級低損傷和粗糙度的極限。

　　他們據此研製了一台晶圓加工樣機，記者在一塊晶圓上看到，經單原子層無損傷加工後的一半晶圓明顯比另一半未經原子級處理的晶圓亮度高。“這些成果已經證實了原子極限微製造實驗設施驅動未來產業的潛力。”宋鳳麒說。

　　有組織科研建設大科學裝置

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

　　聚焦江蘇打造具有全球影響力的產業科技創新中心的目標，2023年，南京市政府和南京大學共同啟動原子極限微製造實驗設施建設，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，原子級製造效率提升難，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，才能滿足產業需求，而這只有大科學裝置能夠辦到。如果將原子極限微製造實驗設施比作一輛實驗室類比樣車，那麼原子級製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。

　　原子級製造是物理、材料學等多學科交叉的前沿領域，瞄準建設原子級製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製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，建設有組織科研示範區。“原子極限微製造實驗設施的規模、人才結構需求不同於常規科研。學校在前沿科學學院下設原子製造研究院，學校提供50個編製名額。前沿科學學院則像是一個孵化器，為原子製造研究院提供資產管理等基礎保障。”姜田告訴記者，此外南京市政府也依託宋鳳麒團隊成立了南京原子製造研究所，同樣提供50個編製名額。南京原子製造研究所、南京大學原子製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。

　　作為有組織科研示範區，南京大學原子製造研究院在人才培養機制方面打破常規，例如負責建設處理晶圓加工樣機的博士研究生衛長正，將來畢業時研究院只需對其裝備研發、產業化情況進行考核，不看論文發表情況。不同梯次的人才，構建出從高端研發到產業化應用“全鏈條”的學科建設和人才支撐體系，成為攻堅原子級製造的生力軍。

　　“未來原子級製造產業需要技術和產業的雙重開發，建議加快佈局原子級製造大科學裝置，並配套建設產業先導示範區，深入推進技術研發和產業開發，發展相關高端產業，加快打造引領全球的產業技術集群和先進位造業集群。”宋鳳麒說。■