【走近大國重器】

　　◎本報記者 張 曄

　　蒙蒙細雨飄落江南，初秋的荷花在暖風(fēng)中爭奇斗艷。江蘇蘇州市區向東，緩緩行駛的汽車(chē)穿過(guò)波光粼粼的獨墅湖，將許多各具特色的現代化建筑拋在后面，靠近了一座看上去“毫不起眼”的小樓。

　　這里就是中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的納米真空互聯(lián)實(shí)驗站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗站），也是目前地球上最接近月球真空環(huán)境的大型科研場(chǎng)所。

　　“實(shí)驗站已培育出第二代量子材料及器件、第三代半導體材料及器件等具有國際先進(jìn)水平的核心技術(shù)成果。”8月28日，在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)，實(shí)驗站主任張珽研究員自豪地說(shuō)。

　　開(kāi)建接近月球環(huán)境的實(shí)驗站

　　綠樹(shù)掩映下，記者步入了實(shí)驗站所在的灰白色大樓。寬敞整潔的大廳深處別有洞天——墨綠色的地板上，各式各樣的科研儀器陳列在兩旁，身穿白大褂的科研人員穿梭往來(lái)……

　　張珽告訴記者，實(shí)驗站進(jìn)行的主要科研項目中，大多與納米器件及納米材料有關(guān)。

　　對于普通人來(lái)說(shuō)，納米這個(gè)詞匯帶有一點(diǎn)距離感。其實(shí)，納米只是一種長(cháng)度單位，1納米為10^-9米。納米材料則是指長(cháng)寬高中至少有一項處于納米尺寸或由它們作為基本單元構成的材料。在微觀(guān)尺度下，納米材料仿佛打開(kāi)了一個(gè)物質(zhì)的新世界。

　　“實(shí)現納米材料表面或界面調控，乃至探索真空互聯(lián)下原子制造等全新制備工藝，是全球公認的突破‘摩爾定律失效魔咒’、研發(fā)未來(lái)信息器件及集成電路的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。”張珽告訴記者。

　　然而，納米材料的制備、測試、加工極其困難。“以制造芯片的Class 10超凈間為例，在1立方英尺的空間中，不能有超過(guò)10粒0.5微米以上的粉塵。”張珽說(shuō)，“對于新型納米材料而言，為保證其本征性質(zhì)，要求更加苛刻。”

　　為了給科研人員提供接近月球環(huán)境的實(shí)驗條件，2014年，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所同包信和院士、薛其坤院士團隊合作，開(kāi)始建設世界首個(gè)集材料生長(cháng)、器件加工、測試分析于一體的重大科學(xué)裝置——納米真空互聯(lián)實(shí)驗站。

　　克服兩大挑戰完成建設

　　深入實(shí)驗站內的科研區域，仿佛進(jìn)入了電影中的未來(lái)世界——總長(cháng)203米的銀色超高真空管道縱橫交錯，將40臺大型設備聯(lián)接起來(lái)，磁性傳輸小車(chē)載著(zhù)樣品以每分鐘3.2米的速度駛過(guò)真空管道內的軌道，并由管道外履帶上的磁鐵“導航”至各個(gè)設備節點(diǎn)。

　　“國外某真空裝置和我們同期建設，不僅規模和復雜度遠不如我們，真空度也低很多，這就意味著(zhù)在他們那里材料很快就會(huì )變得‘不那么干凈’。”實(shí)驗站副主任崔義研究員介紹，為了達到超高真空環(huán)境，實(shí)驗站通過(guò)改良管道材料、處理工藝和設置多級泵組等多種方式，設計并改造了設備和管道的聯(lián)接方式，確保每一處的真空度保持均衡。

　　“建設中的另一個(gè)難點(diǎn)就是在保證真空性能的前提下，實(shí)現所有設備互聯(lián)互通。”實(shí)驗站副主任李坊森研究員說(shuō)，大部分現成的設備無(wú)法滿(mǎn)足需求，要靠科研人員自己動(dòng)手改造。

　　“科研人員巧妙設計樣品架，并利用磁力遠程操作和運輸，將樣品通過(guò)機械手送進(jìn)管道。每段管道內有兩輛帶磁鐵的小車(chē)，由智慧中控臺自動(dòng)化控制。而用于檢測材料性能的設備則分布在真空管道主軸線(xiàn)的兩旁。”指著(zhù)散發(fā)出金屬光澤的機械手和緩慢移動(dòng)的小車(chē)，李坊森告訴記者，“就這樣，我們實(shí)現了所有設備的互聯(lián)互通。”

　　今年2月，實(shí)驗站二期建設項目成功驗收。“目前，實(shí)驗站的真空度優(yōu)于2×10^-8帕斯卡，接近月球的環(huán)境，這為材料爭取了更長(cháng)的‘保真期’，突破了長(cháng)期以來(lái)阻礙納米材料基礎研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的瓶頸。”崔義告訴記者。

　　成為納米材料研究“聚寶盆”

　　科研基礎設施是納米科技創(chuàng )新的基石。在張珽看來(lái)，實(shí)驗站已經(jīng)成為納米材料和器件研究的“聚寶盆”，更是人才與成果集聚的平臺。

　　記者見(jiàn)到俞鳳至時(shí)，他正在實(shí)驗站內進(jìn)行新一代存儲器材料的開(kāi)發(fā)。作為洛瑪瑞芯片技術(shù)常州有限公司的研發(fā)人員，俞鳳至和同事已經(jīng)在這里駐點(diǎn)實(shí)驗3年，目前進(jìn)展順利，預計今年年底完成第一批流片。此前，國外也有同行嘗試研發(fā)這種新型存儲器，但效果卻不盡理想，主要原因就是無(wú)法在真空環(huán)境下實(shí)現不同晶體材料的連續生長(cháng)。

　　除了接待國內的科研工作者，國外也有不少科研人員將目光投向了實(shí)驗站。

　　2021年，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士團隊找到實(shí)驗站，他們在研發(fā)鋅離子電池時(shí)遇到難題，希望能借助實(shí)驗站的力量完成研究“最后一棒”。該團隊成員羅丹博士介紹，鋅負極的表面結構小到納米級別，即使倍數最大的光學(xué)顯微鏡也無(wú)法看清。此外，負極表面結構極易與空氣發(fā)生反應，導致結構發(fā)生變化。

　　“找遍全球，只有這里才能滿(mǎn)足實(shí)驗需求。”羅丹坦言。通過(guò)與實(shí)驗站深度合作，他們最終獲得各類(lèi)表征數據完全吻合的實(shí)驗結論，相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，引發(fā)全球關(guān)注。

　　目前，實(shí)驗站接待的科研用戶(hù)已超過(guò)220家，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，在能源材料、低維材料、高溫超導材料等領(lǐng)域取得了一批重要成果。

　　“納米真空互聯(lián)實(shí)驗站提供了一種變革性的技術(shù)路線(xiàn)，有利于突破阻礙納米領(lǐng)域內基礎研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，提升我國重大儀器設備的研制水平。”展望未來(lái)，張珽充滿(mǎn)信心地說(shuō)，“我們期待實(shí)驗站這一重大科學(xué)裝置產(chǎn)出更多優(yōu)秀成果！”

  

上圖 科研人員在納米真空互聯(lián)實(shí)驗站對實(shí)驗數據進(jìn)行采集和記錄。下圖 納米真空互聯(lián)實(shí)驗站內部。

圖片來(lái)源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

 

《科技日報》2023年8月30日 第01版