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本文摘要:1、配景和意义1.1 制造历史生长的一定选择纵观历史生长和国家兴衰的纪律,每一次时代厘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厘革。在工业生产历程中,“制造”是焦点——制造出满足人们物质和精神需求的产物,制造是维护国家主权、维持国家繁荣富强的“国之重器”。所谓“制造”,是把原质料加工成满足使用者要求的产物的全工艺历程,其重点在于获得足够的性能指标以满足产物的最终使用需求。

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1、配景和意义1.1 制造历史生长的一定选择纵观历史生长和国家兴衰的纪律,每一次时代厘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厘革。在工业生产历程中,“制造”是焦点——制造出满足人们物质和精神需求的产物,制造是维护国家主权、维持国家繁荣富强的“国之重器”。所谓“制造”,是把原质料加工成满足使用者要求的产物的全工艺历程,其重点在于获得足够的性能指标以满足产物的最终使用需求。

唯有掌握制造技术的生长纪律,引领未来制造技术的生长趋势,才气在新一轮的全方位大国竞争中赢得先发优势。制造的生长历程贯串了人类降生至今的历史,从制造的精度以及制造内在纪律生长的角度来看,制造的生长履历了以下三个阶段:(1)制造Ⅰ:以履历和武艺为基础的手工成形历程(如石器、青铜、铁器时代),制造精度处于毫米级。(2)制造Ⅱ:基于机械的精度实现可控制造,制造精度(去除、转移、增加的质料尺度)从毫米级提高至微米级甚至纳米级。

(3)制造Ⅲ:制造工具与历程直接作用于原子,质料在原子量级去除、转移或增加,实现原子与近原子尺度制造(atomic and close-to-atomic scale manufacturing,ACSM)。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,原子尺度下的质料去除、迁移或增加等现象已无法通过经典理论举行解释。制造技术将从以经典力学、宏观统计分析和工程履历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织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差别,即以量子理论为焦点基础。制造Ⅲ时代的到来已经是历史的一定选择,提前结构开展制造Ⅲ的研究与探索,是实现中国“制造大国—制造强国—未来制造”转型的战略决议。

1.2 国家科技竞争的紧迫需求制造是社会和经济、生产力生长的基础。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,焦点之一是高精度光刻机。

其次,芯片、网络、软件仅仅解决信息(包罗数据)的处置惩罚(包罗盘算)、存储、传输的问题,而信息的获取首先需要依赖于传感器和种种丈量装置。没有准确的丈量,人工智能,包罗准确导航、导弹和卫星的发射、掷中等都是一句空话。最后,需要有准确执行机构完成机械装置所要求的精准运动。

现在,面向多种典型器件和重大需求时,传统制造技术与工艺、加工设备与机械以及基础支撑理论生长等已面临“瓶颈”,将加工工具视为一连性质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生长中具有关键作用。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”的主要是高端产物,包罗高端数控机床、轴承、飞机发念头等等,而“高端”首先体现在精度上。为实现高精度就需要纳米、以致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织生长,并进入了快速厘革的时代。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效与性能,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生长趋势,对未来科技生长和高端元器件制造具有重大意义。

当前我国在部门焦点技术领域受到一些蓬勃国家的钳制,这在一定水平上制约了我国经济的生长。我国一方面应鼎力大举结构加速焦点技术研发,解决“卡脖子”问题;另一方面更要超前结构下一代前沿技术开发,掌握未来制造技术“制高点”,实现国家经济的康健生长。

还是以芯片为例,我国在微电子芯片制造的研究、开发与工业化方面已支付庞大努力,力图赶超蓬勃国家已经到达的技术水准。倘若若干年后其他蓬勃国家抢先掌握下一代制造技术,开发出下一代焦点元件,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。无论是现在炙手可热的量子芯片,抑或是其他尚未被预见的新的革命性元器件,当它们形成产物时,对新一代制造技术的需求将是一定。

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、筹谋与实施,将对我国的科技战略生长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。1.3 海内外研究现状天津大学微纳制造实验室于2013年提出了制造历史生长的三个阶段,于2015年揭晓于《人民日报》,叙述了原子及近原子尺度制造生长的一定趋势,并开展了纳米以致原子尺度的质料去除的基础理论研究。只管原子及近原子尺度制造是一个全新的领域,但海内外均已有研究机构在相关领域开展研究,并作为战略技术储蓄。美国国防高级研究计划局(DARPA)于 2015年底启动了从原子到产物(A2P)研究计划,旨在研制出一种装配方法,使制造出的大尺度质料、组件和系统能够保留纳米级质料的性能;针对电子产物与所处情况恒久相互作用引起的可靠性问题,欧洲、美国等国家和地域的研究人员开展了“从原子到产物的可靠性”的研究,旨在从原子级条理研究削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实验将机械学习用于原子制造,为推动原子尺度、低功耗电子产物的生长寻求解决方案,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年揭晓文章先容了美国A2P理念,并联合强约束集成微系统,论述了原子制造的意义。2019年4月,华为建立“战略研究院”,正式将原子制造确定为其重要探索偏向之一,并召开专题研讨开始结构,旨在使用原子制造技术将摩尔定律极限进一步提升。

现在,海内已有单元组建了“原子制造”相关研究平台:南京大学于2018年底建设了原子制造创新研究中心,其研究内容包罗开发新一代原子簇、二维原子层晶体和原子机械的质料与器件;中国科学院启动了战略性先导科技专项(B类)“功效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,现在许多“原子制造”研究更多地聚焦于凝聚态物理的前沿热点偏向,开发与设计新型原子团簇或低维功效质料,其研究焦点有别于制造。制造是把原质料加工成满足使用者要求的产物的全工艺历程,其重点在于获得包罗精度在内的性能指标以满足使用需求。

ACSM指的是制造工具与历程直接作用于原子,跨越宏、微、纳观尺度,质料在原子量级被去除、转移或增加,将原始质料或部件转化为满足用户期望或性能要求的产物的所有须要步骤。ACSM旨在通过原子尺度的操作,最终获得具有预期功效的微器件,是真正意义上的功效定制,即凭据所求功效,直接利用原子,跨越现有质料特性限制,确定性地到达预期功效要求。

2、主要内容2.1 科学价值科学理论与技术的生长由问题与需求所驱动。芯片是体现国家制造水平与国际竞争力的焦点器件之一,通过优化现有IC工艺来减小线宽已越来越难题,特征尺寸已经到达几纳米的量级,这预示着芯片的生长已经迫近其物理极限。新一代焦点器件的泛起已是一定,而实现新一代芯片制造技术一定是原子尺度的。

ACSM对制造理论与技术的推动将是全新的,在第一代基于履历与艺术的制造以及第二代的细密与超细密制造中,量子效应是不显着的。对于ACSM,制造工具是原子尺度的,在原子尺度上,量子效应对制造历程与效果发生直接影响,这是制造Ⅲ与制造Ⅱ、制造Ⅰ的基础区别:ACSM的基础理论体系基于量子理论。ACSM打破了现有制造中质料的增、减与转移三种模式的明确界线,在极端情况下均归结为单原子运动与迁移历程。

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)都是其基本历程。因此,ACSM具有完全差别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议。ACSM应从基本物理定律出发(并非单纯的几何盘算)对制造极限、精度等观点在原子尺度下的内在举行重新界说,同时衍生出一系列新原理与新技术。

例如,差别于现有制造中能量作用于质料的外貌微元或体微元,ACSM中准确的原子利用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工具间相互作用机制的,并具有强量子效应。制造装备方面,现在的超细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细密控制来实现最终的制造精度,而ACSM的原子级历程则可能掀起微尺度到原子尺度机械的研究热潮。

由于这一尺度下的相互作用与宏观力差别,传统的机械设计流程将被新方案所取代,甚至主轴、导轨等功效结构可能由大分子链或原子团簇组成。原子尺度的丈量现在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将赋予丈量新的涵义。一方面,某些丈量设备中的能量束已经可以用作加工;另一方面,ACSM的量子特性使丈量历程具备了影响被测工具的可能性,这在现有制造中是未曾泛起的。

在量子理论中,丈量被广义地明白为微观粒子与经典物体的相互作用,通过丈量不仅能够获得、还会影响微观系统的状态,这很可能是ACSM中丈量所具有的新特性。在下一代制造中,ACSM具有更强的多领域交织性,原子尺度下精度与性能的实现也一定要融合险些所有自然科学与技术领域的前沿生长结果。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,如构建结构更为庞大的人造质料、举行化学反映的准确控制以及基因片段的准确调控等。

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事情,如分子电路、分子机械等。作为下一代制造的焦点技术,ACSM一方面需要借鉴这些事情,但更重要的是它将构建从原质料到满足用户需求的最终产物的一整套原子及近原子尺度解决方案,以包罗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工业化需求。

2.2 主要科学问题完整的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(划分与内在机理、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:单原子操作纪律、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明白和认识单原子操作纪律的基础问题,这个问题包罗单原子捕捉、移动和定位的完整历程,即实现单原子稳定捕捉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、多原子结构的形陋习律、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水平,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,包罗预测ACSM功效器件在宏观尺度的使用性能及量化ACSM,这是拓展ACSM应用规模、保证ACSM产物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。

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这一问题包罗两个方面:一是要研究ACSM装备的设计原理(包罗了却构设计和控制原理)和情况控制,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举行制造运动,该方面的焦点是认识和相识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,并探索建设具有一定通用性的多维制造系统;二是在ACSM中,原子间的作用力不能被忽视,要认识和使用原子间的作用关系,研究使原子自发形乐成能器件的自组装原理,并生长为较为通用的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丈量新特征。明确差别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纪律是ACSM评价体系建设的关键科学问题。

2.3 主要目的及内容ACSM的总体目的是实现一个完整的系统性的原子及近原子尺度制造历程,这个制造历程可以完成原始质料或部件转化为满足用户需求的原子级功效器件或产物所有须要步骤,并在全历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。

建设基于原子理论的ACSM基础理论体系是ACSM生长的首要目的和须要条件。综合科学价值、科学问题以及总体目的构建的 ACSM 的主要内容框图见下图。3、重大需求ACSM涉及机械、物理、化学化工、生命科学和质料等多个学科,接纳该技术制造的器件和产物有望应用于通信、信息存储与盘算、航空航天、能源和医疗等众多领域。

3.1 量子芯片随着大数据时代的到来,传统的电子盘算机已经越来越无法满足信息处置惩罚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盘算机——量子盘算机实现。

传统芯片的集成技术走向经典物理的极限时,盘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置惩罚能力: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”对随机量子线路采样100 万次只需200 s,而现在最强的超级盘算机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,谷歌测试的量子盘算任务在现有的盘算机上完成只需要2.5 天)。

此外,量子盘算还可以重新界说许多法式和算法,颠覆医疗、通信、密码等众多领域,是技术革命的重要科技之一。量子技术无可相比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气力。现在,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庞大,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利用,有望实现量子点的高位置精度加工和高度庞大结构的制造,加工位置精度和产率将获得极大的提高。同时,ACSM可在加工中制止缺陷的发生,并能够对质料自己的缺陷举行原子尺度的修复。

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职位。3.2 冷原子干预干与陀螺仪惯性导航系统由于其完全自主、不受滋扰、输出信息量大、实时性强等优点,在高技术领域具有不行替代的优势。

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焦点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生长从某种意义上讲可以等同于陀螺仪传感器技术的生长。使用原子德布罗意波的Sagnac效应的冷原子干预干与陀螺,作为第三代量子物质波陀螺的代表,以其超高的丈量精度,正成为惯性丈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。冷原子干预干与陀螺仪以原子作为敏感介质,对原子经由激光的冷却、囚禁和操控等步骤以后,使用原子的能级性质、颠簸性质对原子波包操作实现干预干与,进而可以形成类似环形激光陀螺的干预干与现象,丈量最终的干预干与条纹即可获得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敏捷度比光学陀螺仪至少高一千倍。

传统的惯性导航系统漂移约莫是1.8 km/h,而基于冷原子干预干与陀螺仪的惯性导航系统漂移理论上不凌驾10 m/h。在原子干预干与陀螺仪的实现中,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取代传统的光学系统。

光子集成芯片比传统的分立光-电-光处置惩罚方式降低了成本和庞大性,通过将许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、功耗以及可靠性都获得大幅度提高。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淘汰,同时大大淘汰了光器件封装的次数。使用光子集成电路制造的原子干预干与陀螺仪不仅在系统尺寸上显著减小,而且在角敏捷度和动态规模方面也大幅度提高。

DARPA于2018年公布的原子-光子集成(A-PhI)项目建议征集书中也将使用光子集成电路的原子干预干与陀螺仪列为未来研究重点。使用ACSM将有望突破传统加工技术制造光子集成电路的瓶颈,实现新型原子干预干与陀螺仪的稳定制造。3.3 超质料及新质料随着制造技术的生长,质料制备不再局限于自然界已有质料,人类有能力突破表观自然纪律的限制,逆向设计制造出具有超常物理特性的新型质料。这种具有人工设计的结构并出现出天然质料所不具备的超常物理性质的复合质料,被称为“超质料”。

超质料功效特性取决于其人工结构,其设计制造理念是将一个个具有差别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效质料。值得注意的是,超质料只是广义上的新质料,而真正意义上的新质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质料。超质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。超质料的功效特性由其微观结构和宏观结构配合决议,所以超质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,制造技术与超质料结构理论研究相联合是超质料研究生长的一定趋势。ACSM技术的泛起和应用有望为超质料结构的制造和新质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,从而优化超质料微观结构,最大限度地开发质料性能。

基于ACSM技术,一方面可以凭据差别的功效需求在原子尺度上对组成质料的基本单元和结构(原子、分子、电子、价键和晶格结构等)举行设计革新;另一方面,依靠ACSM对质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质料,开启功效性质料“定制化”新时代。ACSM技术的生长,可极大地释放新质料/超质料的设计自由度,将前沿科学设计酿成科学产物,促进相关领域科研结果的快速转化,直至广泛应用。4、建议及措施近年来,我国在半导体技术、集成电路、超质料制备等各关键科学领域已经取得了长足进步,可是不少焦点技术受制于外洋的现状仍然没有基础改变,亟需增强焦点技术攻关、突破瓶颈,保障国防宁静、相关供应链宁静和工业宁静。在当前庞大的国际形势下,工业半导体质料、芯片、器件及超质料制备的生长滞后将制约我国在通信、信息存储与盘算、航空航天、国防、能源和医疗等重点领域的突破,进而影响国家宁静与经济生长。

针对现在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计划的基础上,提前结构下一代制造技术,即原子及近原子尺度制造,抢占科技竞争先机。4.1 基于科学纪律,探索ACSM的内在机理建议基于相关领域研究,对原子及近原子尺度下的理论研究重点立项,先行举行基础理论研究的结构。

4.2 遵循具有前瞻性的需求引领,在原子及近原子尺度下实现多领域跨越式生长为了实现跨越式生长,突破敏感质料、关键工艺等生长瓶颈,我国应努力投入对ACSM的研究,开发原子级精度的制造装备。建议凭据国家重大战略需求,组织相关专家举行科学论证,建立科学研究平台举行先行探索,以逐渐投入的方式举行孵化,为下一代制造技术的生长提供平台。4.3 重视学科共性,在原子及近原子尺度下实现学科融合与交织ACSM的研究需要机械、物理、化学、质料及生命科学等多个学科不停举行学术交流,通过差别学术看法的争鸣和学术思想的碰撞、切磋、相互渗透和融合,扩大视野。建议针对ACSM的研究,建立相关交织学科科研治理平台,为未来的学科建设凝聚一批水平高、学科综合交织的研究团队,相辅相成地展开配合研究。

4.4 详细举措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生长开展深入探讨与论证。下图所示为ACSM生长简要计划建议。

(1)建设国家ACSM科学研究平台。ACSM属于新兴前沿多学科交织研究,该平台可依托物理、化学、制造、丈量等多领域人才开展ACSM相关研究和论证,并基于多领域交织优势致力于建设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、工艺及丈量等方面研究,实现理论的突破和新基础技术的发现,在优势互补基础上开展协同创新,增强关键技术团结攻关,同时通过专项的支持,造就出一批国际领军科学家和焦点技术人才,引领国际ACSM领域生长偏向。(3)设立创新人才造就专项。

凭据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、科研机构和海内主干企业,针对性地造就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,建设有利于科技人员潜心研究的良好情况。设立小额度的种子项目,勉励“斗胆想象”、“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,凭据项目完成情况和后续研究计划给予连续支持,储蓄一大批有潜力的青年科学家。


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