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                    【新華日報·交匯點】探訪“國之重器”納米真空互聯實驗站——漫步“太空環境”,納米材料打開新世界

                    [video:2022-1-10 【交匯點】新知|探訪“國之重器”納米真空互聯實驗站——漫步“太空環境”,納米材料打開新世界]

                      納米有多???一根頭發絲的直徑約為5萬納米。隨著科學技術的發展,納米材料的應用越來越廣泛,但傳統的研究與制造技術在面向納米材料與器件的時候遇到極大挑戰,必須有一種變革性的技術路線來滿足納米材料與器件的制造。

                      我省尖端技術創新的重要源頭——納米真空互聯實驗站(Nano-X)由此應運而生。納米真空互聯實驗站是世界首個集材料生長、器件加工、測試分析為一體的納米科技真空互聯綜合實驗裝置,作為目前世界上最大的真空互聯科研裝置,它極大地提升了納米級器件研發和制造的效率。

                      不久前,《科技周刊》記者走進中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所(以下簡稱“中科院蘇州納米所”),現場探訪納米真空互聯實驗站,看看它是如何模擬“太空環境”,打開納米材料新世界的。

                       

                      真空+互聯,材料“生長”有了新平臺 

                      走進納米真空互聯實驗站,仿佛進入電影中的未來科技世界——總長203米的銀色超高真空管道縱橫交錯,將40臺大型設備連接起來,磁性傳輸小車載著樣品以3.2米/分鐘的速度駛過真空管道內的軌道,并由管道外履帶上的磁鐵“導航”至各個設備節點……

                      為什么要在真空中進行材料研究?“目前集成電路硅基工業主要是在超凈間內控制微塵顆粒等環境因素,但新型納米材料需要一個干擾更小的制造環境來保證其本征性質,我們探索的是未來納米器件制造變革性技術路線?!奔{米真空互聯實驗平臺主任張珽研究員稱,這就像模擬太空的環境,在沒有空氣的情況下制造納米材料和器件。為了達到超高真空環境,操作人員用多級泵組一節節抽取管道中的空氣,從粗真空、低真空、高真空再到超高真空逐漸過渡?!斑@些納米材料和器件的樣品可以通過真空管道的互聯互通到達任意一個設備節點檢測性能,最大限度地排除大氣環境對材料與器件表界面的不利影響,保留實驗材料和器件的‘原汁原味’?!?/p>

                      怎么在超高真空下傳送和操作樣品呢?納米真空互聯實驗平臺副主任李坊森研究員介紹,超高真空內主要借助磁力作用。樣品通過機械手送進管道中,在超高真空的負壓環境中巧妙地利用了磁力遠程操作和運輸。每段管道內有兩輛帶磁鐵的小車,由智慧中控臺自動化控制。用于檢測材料性能的系統就“藏”在真空管道主軸線旁邊立著的一只只黑箱子中。

                      “納米真空互聯實驗站提供了一種變革性的技術路線,有利于突破阻礙納米領域內基礎研究和技術開發進一步發展的瓶頸,提升我國重大儀器設備的研制水平。這是一次前所未有的探索?!睆埇E說,納米真空互聯實驗站是按國家重大科技基礎設施標準建設集材料原位生長、器件加工、測試分析為一體的重大科學裝置,擬建設成國際上最先進的真空互聯條件下材料、器件與裝備原位綜合研究平臺。將依托體系化大平臺的創新和集成優勢,實現跨行業、跨學科、跨要素的技術集成創新,縮短和簡化從基礎研究、戰略核心技術到應用開發的過程。

                      “建設的主要難點就是怎樣實現所有設備互聯互通,利用超高真空管道將設備像珍珠一樣一個個串起來?!睆埇E回憶,大部分設備不符合管道互聯互通的需求,就要科研人員自己動手改造;改造途中,核心部件和轉接系統的設計又提出了技術上的巨大挑戰。

                      “2015年我剛來的時候,實驗場地還沒建好,這里還是個水塘。為了避免整棟大樓的低頻震動給設備造成影響,我們就在水塘中挖了兩個坑,放置水泥墩子來隔絕震動?!崩罘簧貞?,當時設備安裝調試任務重,場地剛剛建成時還沒有空調,同事們在嚴冬接近零度條件下完成了設備安裝調試。還有一次,管道始終無法抽成真空,大家排查各種技術原因后發現,原來是一只小蚊子在安裝調試的時候通過玻璃窗爬進了真空腔?!捌鋵嵨覀冊诮ㄔO中還做了許多特殊設計來保證設備的正常使用,儀器的精密度容不得一絲一毫的差錯。我有幸見證了一片荒地水塘變成如今的高精尖實驗站的全過程?!?/p>

                      經過反復研究、不斷合作嘗試,納米真空互聯實驗站已成為目前世界上該領域規模最大、功能最全的研發平臺。該技術路線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水平的核心技術成果。

                       

                      釋放“聚寶盆”效應,成為產業“播種機” 

                      “全息顯示芯片、柔性太陽能電池、超高靈敏的感知探測器件……不久的將來,這些東西將借助納米材料出現在普通人的生活中?!睆埇E說,納米憑借其優異的性能和效應,不僅滲透到能源電池、半導體材料、芯片、量子計算等領域,還將出現在人們衣食住行的方方面面。

                      科技基礎設施是納米科技創新的基石。2006年以來,中科院蘇州納米所著手建設了納米真空互聯實驗站、納米加工平臺、測試分析平臺、生化平臺4個集科研攻關與公共服務于一體的公共技術平臺,為納米科技發展和相關領域產業發展提供強有力的支撐,成為蘇州納米產業的“播種機”?!白鳛榻K的經濟強市,蘇州當時也希望建設一個體系化大平臺來吸引高端人才與優勢產業,填補江蘇在大科學裝置方面的空白?!崩罘簧貞?。

                      在張珽看來,平臺如今已經成為了“聚寶盆”,擁有對納米領域高端企業與人才的集聚效應。納米真空互聯實驗站不止是一個真空互聯的平臺,更是一個成果互聯的平臺?!凹{米領域最前端的研究人才都聚到這個平臺互相探討課題,交流先進成果。裝置也面向全球開放,許多企業慕名而來?!睆埇E介紹,平臺會針對用戶申請的課題組織論證,前沿基礎領域的重大課題將被定義為A類課題,擁有較大力度的經費支持。目前平臺約有220家用戶,包括清華、北大、中科大等科研單位和一些行業頭部企業。

                      外界許多人前來尋求合作,但許多初創企業缺乏足夠資金批量制備納米材料怎么辦?“他們會先來這里摸索工藝,利用真空裝置檢驗材料的本征性質,走通工藝路線再去融資?!睆埇E說,實驗站相當于為這些初創企業提供了試驗的機會,設備經培訓后可由企業員工自己操作。而在深度合作中,實驗站的科研人員會與合作方共同開發產品并給出專業建議,共享合作成果與知識產權?!皣鴥仍S多龍頭企業都已經和我們進行研發合作,在實驗站布局其未來關鍵研發技術?!睆埇E表示,這些龍頭企業利用真空互聯技術實現創新工藝并縮短研發周期,既為產品的成功上市加快進程,又能促進江蘇形成全球有影響的納米技術創新和產業集群。

                       

                      開辟納米“新賽道”,仍需“腦洞大開” 

                      穿行在納米真空互聯實驗站里,記者發現現場的科研人員都非常年輕。據介紹,目前該平臺有40多名專職科研人員,平均年齡30歲出頭。加上共建團隊的科研人員,這支隊伍已經集聚了200多名高水平創新人才。

                      李坊森曾在英國伯明翰大學做聯合博士研究,又在清華大學薛其坤院士組做博士后研究工作,2015年來到納米真空互聯實驗站任副研究員。從英國回來后,李坊森直觀感受到我國的科研投入大、設備更新換代速度快,這些都讓國外不少科研人員羨慕。值得一提的是,2020年美國國家科學院每四年發布一次有關納米技術、科學與商業應用的咨詢報告中,詳細介紹了納米真空互聯實驗站,并稱美國沒有相媲美的工程?!坝行┯残詶l件的差距和國外相比也在漸漸縮小?!崩罘簧e例,國內的設備類經費相比于英國較少,但他回國后發現,不少國內專家從最核心的掃描隧道顯微鏡開始自主研發,慢慢搭建出一整套設備?!皬淖罨A的東西做起,這非常有利于培養科研人才?!崩罘簧f,搭建一整套設備至少要兩三年以上的時間,這意味著科研人員擁有了可以“狠下功夫靜下心”的科研環境,不再人人急功近利追求時髦課題?!案憧蒲胁粌H需要發表期刊,還要擁有深厚的技術積累,這樣才能推動科技進步?!?/p>

                      “我們現在要做的就是把制造路線往頂端再推一推?!睆埇E感嘆,真空互聯的器件化仍然是難點。超高真空環境怕水,在實驗站大廳,可以看到設備外包著許多導熱鋁箔,隔段時間設備就會通過烘烤除濕。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?!斑@時必須要開發‘干法’刻蝕或利用其他氣體做出芯片的圖形化?!睆埇E表示,目前全世界從事該領域研究的并不多,這相當于開辟了一個新賽道?!肮タ嗽撾y點需要國家的大力支持,大家腦洞大開去突破一個世界難題,將真空互聯制造路線作為未來納米器件發展的主導路線?!?/p>

                      “目前二期建設已基本完成。未來,裝置三期將加強多功能性和不可替代性,力爭列入國家重大科技基礎設施?!睆埇E表示,納米真空互聯實驗站最終將建設成國際上最先進的納米器件與材料綜合研究系統和公共實驗平臺,它不僅是江蘇省重大科技基礎設施的核心單元,也將為我國在納米材料、關鍵器件和核心裝備領域形成自主創新、不可替代的核心競爭力,提升基礎設施保障能力,成為引領納米科技的重要基地!

                      新華日報·交匯點記者 蔡姝雯 張宣 實習生 孫廣哲 視頻 蔡亮


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