【康沃真空網(wǎng)】納米有多小？一根頭發(fā)絲的直徑約為5萬(wàn)納米。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但傳統(tǒng)的研究與制造技術(shù)在面向納米材料與器件的時(shí)候遇到極大挑戰(zhàn)，必須有一種變革性的技術(shù)路線來(lái)滿足納米材料與器件的制造。
我省尖端技術(shù)創(chuàng)新的重要源頭——納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）由此應(yīng)運(yùn)而生。納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站是世界首個(gè)集材料生長(zhǎng)、器件加工、測(cè)試分析為一體的納米科技真空互聯(lián)綜合實(shí)驗(yàn)裝置，作為目前世界上最大的真空互聯(lián)科研裝置，它極大地提升了納米級(jí)器件研發(fā)和制造的效率。
不久前，《科技周刊》記者走進(jìn)中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡(jiǎn)稱“中科院蘇州納米所”），現(xiàn)場(chǎng)探訪納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站，看看它是如何模擬“太空環(huán)境”，打開(kāi)納米材料新世界的。
走進(jìn)納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站，仿佛進(jìn)入電影中的未來(lái)科技世界——總長(zhǎng)203米的銀色超高真空管道縱橫交錯(cuò)，將40臺(tái)大型設(shè)備連接起來(lái)，磁性傳輸小車(chē)載著樣品以3.2米/分鐘的速度駛過(guò)真空管道內(nèi)的軌道，并由管道外履帶上的磁鐵“導(dǎo)航”至各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)……
為什么要在真空中進(jìn)行材料研究？“目前集成電路硅基工業(yè)主要是在超凈間內(nèi)控制微塵顆粒等環(huán)境因素，但新型納米材料需要一個(gè)干擾更小的制造環(huán)境來(lái)保證其本征性質(zhì)，我們探索的是未來(lái)納米器件制造變革性技術(shù)路線。”納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主任張珽研究員稱，這就像模擬太空的環(huán)境，在沒(méi)有空氣的情況下制造納米材料和器件。為了達(dá)到超高真空環(huán)境，操作人員用多級(jí)泵組一節(jié)節(jié)抽取管道中的空氣，從粗真空、低真空、高真空再到超高真空逐漸過(guò)渡?！斑@些納米材料和器件的樣品可以通過(guò)真空管道的互聯(lián)互通到達(dá)任意一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)檢測(cè)性能，最大限度地排除大氣環(huán)境對(duì)材料與器件表界面的不利影響，保留實(shí)驗(yàn)材料和器件的‘原汁原味’?！?/p>
怎么在超高真空下傳送和操作樣品呢？納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)副主任李坊森研究員介紹，超高真空內(nèi)主要借助磁力作用。樣品通過(guò)機(jī)械手送進(jìn)管道中，在超高真空的負(fù)壓環(huán)境中巧妙地利用了磁力遠(yuǎn)程操作和運(yùn)輸。每段管道內(nèi)有兩輛帶磁鐵的小車(chē)，由智慧中控臺(tái)自動(dòng)化控制。用于檢測(cè)材料性能的系統(tǒng)就“藏”在真空管道主軸線旁邊立著的一只只黑箱子中。
“納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站提供了一種變革性的技術(shù)路線，有利于突破阻礙納米領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，提升我國(guó)重大儀器設(shè)備的研制水平。這是一次前所未有的探索。”張珽說(shuō)，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站是按國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)集材料原位生長(zhǎng)、器件加工、測(cè)試分析為一體的重大科學(xué)裝置，擬建設(shè)成國(guó)際上最先進(jìn)的真空互聯(lián)條件下材料、器件與裝備原位綜合研究平臺(tái)。將依托體系化大平臺(tái)的創(chuàng)新和集成優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨學(xué)科、跨要素的技術(shù)集成創(chuàng)新，縮短和簡(jiǎn)化從基礎(chǔ)研究、戰(zhàn)略核心技術(shù)到應(yīng)用開(kāi)發(fā)的過(guò)程。
“建設(shè)的主要難點(diǎn)就是怎樣實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備互聯(lián)互通，利用超高真空管道將設(shè)備像珍珠一樣一個(gè)個(gè)串起來(lái)?！睆埇E回憶，大部分設(shè)備不符合管道互聯(lián)互通的需求，就要科研人員自己動(dòng)手改造；改造途中，核心部件和轉(zhuǎn)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又提出了技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。
“2015年我剛來(lái)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地還沒(méi)建好，這里還是個(gè)水塘。為了避免整棟大樓的低頻震動(dòng)給設(shè)備造成影響，我們就在水塘中挖了兩個(gè)坑，放置水泥墩子來(lái)隔絕震動(dòng)?！崩罘簧貞?，當(dāng)時(shí)設(shè)備安裝調(diào)試任務(wù)重，場(chǎng)地剛剛建成時(shí)還沒(méi)有空調(diào)，同事們?cè)趪?yán)冬接近零度條件下完成了設(shè)備安裝調(diào)試。還有一次，管道始終無(wú)法抽成真空，大家排查各種技術(shù)原因后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是一只小蚊子在安裝調(diào)試的時(shí)候通過(guò)玻璃窗爬進(jìn)了真空腔?！捌鋵?shí)我們?cè)诮ㄔO(shè)中還做了許多特殊設(shè)計(jì)來(lái)保證設(shè)備的正常使用，儀器的精密度容不得一絲一毫的差錯(cuò)。我有幸見(jiàn)證了一片荒地水塘變成如今的高精尖實(shí)驗(yàn)站的全過(guò)程?！?/p>
經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、不斷合作嘗試，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站已成為目前世界上該領(lǐng)域規(guī)模最大、功能最全的研發(fā)平臺(tái)。該技術(shù)路線已培育出第二代量子材料及器件、第三代半導(dǎo)體材料及器件等具有國(guó)際先進(jìn)水平的核心技術(shù)成果。
釋放“聚寶盆”效應(yīng)，
成為產(chǎn)業(yè)“播種機(jī)”
“全息顯示芯片、柔性太陽(yáng)能電池、超高靈敏的感知探測(cè)器件……不久的將來(lái)，這些東西將借助納米材料出現(xiàn)在普通人的生活中?！睆埇E說(shuō)，納米憑借其優(yōu)異的性能和效應(yīng)，不僅滲透到能源電池、半導(dǎo)體材料、芯片、量子計(jì)算等領(lǐng)域，還將出現(xiàn)在人們衣食住行的方方面面。
科技基礎(chǔ)設(shè)施是納米科技創(chuàng)新的基石。2006年以來(lái)，中科院蘇州納米所著手建設(shè)了納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站、納米加工平臺(tái)、測(cè)試分析平臺(tái)、生化平臺(tái)4個(gè)集科研攻關(guān)與公共服務(wù)于一體的公共技術(shù)平臺(tái)，為納米科技發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐，成為蘇州納米產(chǎn)業(yè)的“播種機(jī)”?！白鳛榻K的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市，蘇州當(dāng)時(shí)也希望建設(shè)一個(gè)體系化大平臺(tái)來(lái)吸引高端人才與優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，填補(bǔ)江蘇在大科學(xué)裝置方面的空白?！崩罘簧貞洝?/p>
在張珽看來(lái)，平臺(tái)如今已經(jīng)成為了“聚寶盆”，擁有對(duì)納米領(lǐng)域高端企業(yè)與人才的集聚效應(yīng)。納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站不止是一個(gè)真空互聯(lián)的平臺(tái)，更是一個(gè)成果互聯(lián)的平臺(tái)。“納米領(lǐng)域最前端的研究人才都聚到這個(gè)平臺(tái)互相探討課題，交流先進(jìn)成果。裝置也面向全球開(kāi)放，許多企業(yè)慕名而來(lái)。”張珽介紹，平臺(tái)會(huì)針對(duì)用戶申請(qǐng)的課題組織論證，前沿基礎(chǔ)領(lǐng)域的重大課題將被定義為A類(lèi)課題，擁有較大力度的經(jīng)費(fèi)支持。目前平臺(tái)約有220家用戶，包括清華、北大、中科大等科研單位和一些行業(yè)頭部企業(yè)。
外界許多人前來(lái)尋求合作，但許多初創(chuàng)企業(yè)缺乏足夠資金批量制備納米材料怎么辦？“他們會(huì)先來(lái)這里摸索工藝，利用真空裝置檢驗(yàn)材料的本征性質(zhì)，走通工藝路線再去融資?！睆埇E說(shuō)，實(shí)驗(yàn)站相當(dāng)于為這些初創(chuàng)企業(yè)提供了試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，設(shè)備經(jīng)培訓(xùn)后可由企業(yè)員工自己操作。而在深度合作中，實(shí)驗(yàn)站的科研人員會(huì)與合作方共同開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并給出專業(yè)建議，共享合作成果與知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！皣?guó)內(nèi)許多龍頭企業(yè)都已經(jīng)和我們進(jìn)行研發(fā)合作，在實(shí)驗(yàn)站布局其未來(lái)關(guān)鍵研發(fā)技術(shù)?！睆埇E表示，這些龍頭企業(yè)利用真空互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新工藝并縮短研發(fā)周期，既為產(chǎn)品的成功上市加快進(jìn)程，又能促進(jìn)江蘇形成全球有影響的納米技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)集群。
開(kāi)辟納米“新賽道”，
仍需“腦洞大開(kāi)”
穿行在納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站里，記者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的科研人員都非常年輕。據(jù)介紹，目前該平臺(tái)有40多名專職科研人員，平均年齡30歲出頭。加上共建團(tuán)隊(duì)的科研人員，這支隊(duì)伍已經(jīng)集聚了200多名高水平創(chuàng)新人才。
李坊森曾在英國(guó)伯明翰大學(xué)做聯(lián)合博士研究，又在清華大學(xué)薛其坤院士組做博士后研究工作，2015年來(lái)到納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站任副研究員。從英國(guó)回來(lái)后，李坊森直觀感受到我國(guó)的科研投入大、設(shè)備更新?lián)Q代速度快，這些都讓國(guó)外不少科研人員羨慕。值得一提的是，2020年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院每四年發(fā)布一次有關(guān)納米技術(shù)、科學(xué)與商業(yè)應(yīng)用的咨詢報(bào)告中，詳細(xì)介紹了納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站，并稱美國(guó)沒(méi)有相媲美的工程?！坝行┯残詶l件的差距和國(guó)外相比也在漸漸縮小?！崩罘簧e例，國(guó)內(nèi)的設(shè)備類(lèi)經(jīng)費(fèi)相比于英國(guó)較少，但他回國(guó)后發(fā)現(xiàn)，不少國(guó)內(nèi)專家從最核心的掃描隧道顯微鏡開(kāi)始自主研發(fā)，慢慢搭建出一整套設(shè)備?！皬淖罨A(chǔ)的東西做起，這非常有利于培養(yǎng)科研人才?！崩罘簧f(shuō)，搭建一整套設(shè)備至少要兩三年以上的時(shí)間，這意味著科研人員擁有了可以“狠下功夫靜下心”的科研環(huán)境，不再人人急功近利追求時(shí)髦課題?！案憧蒲胁粌H需要發(fā)表期刊，還要擁有深厚的技術(shù)積累，這樣才能推動(dòng)科技進(jìn)步?！?/p>
“我們現(xiàn)在要做的就是把制造路線往頂端再推一推。”張珽感嘆，真空互聯(lián)的器件化仍然是難點(diǎn)。超高真空環(huán)境怕水，在實(shí)驗(yàn)站大廳，可以看到設(shè)備外包著許多導(dǎo)熱鋁箔，隔段時(shí)間設(shè)備就會(huì)通過(guò)烘烤除濕。此外，真空中不能使用尋常的“濕法”刻蝕，比如利用酒精或丙酮清洗光刻膠。“這時(shí)必須要開(kāi)發(fā)‘干法’刻蝕或利用其他氣體做出芯片的圖形化。”張珽表示，目前全世界從事該領(lǐng)域研究的并不多，這相當(dāng)于開(kāi)辟了一個(gè)新賽道?！肮タ嗽撾y點(diǎn)需要國(guó)家的大力支持，大家腦洞大開(kāi)去突破一個(gè)世界難題，將真空互聯(lián)制造路線作為未來(lái)納米器件發(fā)展的主導(dǎo)路線。”
“目前二期建設(shè)已基本完成。未來(lái)，裝置三期將加強(qiáng)多功能性和不可替代性，力爭(zhēng)列入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。”張珽表示，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站最終將建設(shè)成國(guó)際上最先進(jìn)的納米器件與材料綜合研究系統(tǒng)和公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它不僅是江蘇省重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的核心單元，也將為我國(guó)在納米材料、關(guān)鍵器件和核心裝備領(lǐng)域形成自主創(chuàng)新、不可替代的核心競(jìng)爭(zhēng)力，提升基礎(chǔ)設(shè)施保障能力，成為引領(lǐng)納米科技的重要基地！
