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新知|探访“国之重器”纳米真空互联实验站——漫步“太空环境”,纳米材料打开新世界
2023/01/10 21:35  新华报业网  

  纳米有多小?一根头发丝的直径约为5万纳米。随着科学技术的发展,纳米材料的应用越来越广泛,但传统的研究与制造技术在面向纳米材料与器件的时候遇到极大挑战,必须有一种变革性的技术路线来满足纳米材料与器件的制造。

  我省尖端技术创新的重要源头——纳米真空互联实验站(Nano-X)由此应运而生。纳米真空互联实验站是世界首个集材料生长、器件加工、测试分析为一体的纳米科技真空互联综合实验装置,作为目前世界上最大的真空互联科研装置,它极大地提升了纳米级器件研发和制造的效率。

  不久前,《科技周刊》记者走进中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(以下简称“中科院苏州纳米所”),现场探访纳米真空互联实验站,看看它是如何模拟“太空环境”,打开纳米材料新世界的。

  真空+互联,材料“生长”有了新平台

  走进纳米真空互联实验站,仿佛进入电影中的未来科技世界——总长203米的银色超高真空管道纵横交错,将40台大型设备连接起来,磁性传输小车载着样品以3.2米/分钟的速度驶过真空管道内的轨道,并由管道外履带上的磁铁“导航”至各个设备节点……

  为什么要在真空中进行材料研究?“目前集成电路硅基工业主要是在超净间内控制微尘颗粒等环境因素,但新型纳米材料需要一个干扰更小的制造环境来保证其本征性质,我们探索的是未来纳米器件制造变革性技术路线。”纳米真空互联实验平台主任张珽研究员称,这就像模拟太空的环境,在没有空气的情况下制造纳米材料和器件。为了达到超高真空环境,操作人员用多级泵组一节节抽取管道中的空气,从粗真空、低真空、高真空再到超高真空逐渐过渡。“这些纳米材料和器件的样品可以通过真空管道的互联互通到达任意一个设备节点检测性能,最大限度地排除大气环境对材料与器件表界面的不利影响,保留实验材料和器件的‘原汁原味’。”

  怎么在超高真空下传送和操作样品呢?纳米真空互联实验平台副主任李坊森研究员介绍,超高真空内主要借助磁力作用。样品通过机械手送进管道中,在超高真空的负压环境中巧妙地利用了磁力远程操作和运输。每段管道内有两辆带磁铁的小车,由智慧中控台自动化控制。用于检测材料性能的系统就“藏”在真空管道主轴线旁边立着的一只只黑箱子中。

  “纳米真空互联实验站提供了一种变革性的技术路线,有利于突破阻碍纳米领域内基础研究和技术开发进一步发展的瓶颈,提升我国重大仪器设备的研制水平。这是一次前所未有的探索。”张珽说,纳米真空互联实验站是按国家重大科技基础设施标准建设集材料原位生长、器件加工、测试分析为一体的重大科学装置,拟建设成国际上最先进的真空互联条件下材料、器件与装备原位综合研究平台。将依托体系化大平台的创新和集成优势,实现跨行业、跨学科、跨要素的技术集成创新,缩短和简化从基础研究、战略核心技术到应用开发的过程。

  “建设的主要难点就是怎样实现所有设备互联互通,利用超高真空管道将设备像珍珠一样一个个串起来。”张珽回忆,大部分设备不符合管道互联互通的需求,就要科研人员自己动手改造;改造途中,核心部件和转接系统的设计又提出了技术上的巨大挑战。

  “2015年我刚来的时候,实验场地还没建好,这里还是个水塘。为了避免整栋大楼的低频震动给设备造成影响,我们就在水塘中挖了两个坑,放置水泥墩子来隔绝震动。”李坊森回忆,当时设备安装调试任务重,场地刚刚建成时还没有空调,同事们在严冬接近零度条件下完成了设备安装调试。还有一次,管道始终无法抽成真空,大家排查各种技术原因后发现,原来是一只小蚊子在安装调试的时候通过玻璃窗爬进了真空腔。“其实我们在建设中还做了许多特殊设计来保证设备的正常使用,仪器的精密度容不得一丝一毫的差错。我有幸见证了一片荒地水塘变成如今的高精尖实验站的全过程。”

  经过反复研究、不断合作尝试,纳米真空互联实验站已成为目前世界上该领域规模最大、功能最全的研发平台。该技术路线已培育出第二代量子材料及器件、第三代半导体材料及器件等具有国际先进水平的核心技术成果。

  释放“聚宝盆”效应,成为产业“播种机”

  “全息显示芯片、柔性太阳能电池、超高灵敏的感知探测器件……不久的将来,这些东西将借助纳米材料出现在普通人的生活中。”张珽说,纳米凭借其优异的性能和效应,不仅渗透到能源电池、半导体材料、芯片、量子计算等领域,还将出现在人们衣食住行的方方面面。

  科技基础设施是纳米科技创新的基石。2006年以来,中科院苏州纳米所着手建设了纳米真空互联实验站、纳米加工平台、测试分析平台、生化平台4个集科研攻关与公共服务于一体的公共技术平台,为纳米科技发展和相关领域产业发展提供强有力的支撑,成为苏州纳米产业的“播种机”。“作为江苏的经济强市,苏州当时也希望建设一个体系化大平台来吸引高端人才与优势产业,填补江苏在大科学装置方面的空白。”李坊森回忆。

  在张珽看来,平台如今已经成为了“聚宝盆”,拥有对纳米领域高端企业与人才的集聚效应。纳米真空互联实验站不止是一个真空互联的平台,更是一个成果互联的平台。“纳米领域最前端的研究人才都聚到这个平台互相探讨课题,交流先进成果。装置也面向全球开放,许多企业慕名而来。”张珽介绍,平台会针对用户申请的课题组织论证,前沿基础领域的重大课题将被定义为A类课题,拥有较大力度的经费支持。目前平台约有220家用户,包括清华、北大、中科大等科研单位和一些行业头部企业。

  外界许多人前来寻求合作,但许多初创企业缺乏足够资金批量制备纳米材料怎么办?“他们会先来这里摸索工艺,利用真空装置检验材料的本征性质,走通工艺路线再去融资。”张珽说,实验站相当于为这些初创企业提供了试验的机会,设备经培训后可由企业员工自己操作。而在深度合作中,实验站的科研人员会与合作方共同开发产品并给出专业建议,共享合作成果与知识产权。“国内许多龙头企业都已经和我们进行研发合作,在实验站布局其未来关键研发技术。”张珽表示,这些龙头企业利用真空互联技术实现创新工艺并缩短研发周期,既为产品的成功上市加快进程,又能促进江苏形成全球有影响的纳米技术创新和产业集群。

  开辟纳米“新赛道”,仍需“脑洞大开”

  穿行在纳米真空互联实验站里,记者发现现场的科研人员都非常年轻。据介绍,目前该平台有40多名专职科研人员,平均年龄30岁出头。加上共建团队的科研人员,这支队伍已经集聚了200多名高水平创新人才。

  李坊森曾在英国伯明翰大学做联合博士研究,又在清华大学薛其坤院士组做博士后研究工作,2015年来到纳米真空互联实验站任副研究员。从英国回来后,李坊森直观感受到我国的科研投入大、设备更新换代速度快,这些都让国外不少科研人员羡慕。值得一提的是,2020年美国国家科学院每四年发布一次有关纳米技术、科学与商业应用的咨询报告中,详细介绍了纳米真空互联实验站,并称美国没有相媲美的工程。“有些硬性条件的差距和国外相比也在渐渐缩小。”李坊森举例,国内的设备类经费相比于英国较少,但他回国后发现,不少国内专家从最核心的扫描隧道显微镜开始自主研发,慢慢搭建出一整套设备。“从最基础的东西做起,这非常有利于培养科研人才。”李坊森说,搭建一整套设备至少要两三年以上的时间,这意味着科研人员拥有了可以“狠下功夫静下心”的科研环境,不再人人急功近利追求时髦课题。“搞科研不仅需要发表期刊,还要拥有深厚的技术积累,这样才能推动科技进步。”

  “我们现在要做的就是把制造路线往顶端再推一推。”张珽感叹,真空互联的器件化仍然是难点。超高真空环境怕水,在实验站大厅,可以看到设备外包着许多导热铝箔,隔段时间就会设备通过烘烤除湿。此外,真空中不能使用寻常的“湿法”刻蚀,比如利用酒精或丙酮清洗光刻胶。“这时必须要开发‘干法’刻蚀或利用其他气体做出芯片的图形化。”张珽表示,目前全世界从事该领域研究的并不多,这相当于开辟了一个新赛道。“攻克该难点需要国家的大力支持,大家脑洞大开去突破一个世界难题,将真空互联制造路线作为未来纳米器件发展的主导路线。”

  “目前二期建设已基本完成。未来,装置三期将加强多功能性和不可替代性,力争列入国家重大科技基础设施。”张珽表示,纳米真空互联实验站最终将建设成国际上最先进的纳米器件与材料综合研究系统和公共实验平台,它不仅是江苏省重大科技基础设施的核心单元,也将为我国在纳米材料、关键器件和核心装备领域形成自主创新、不可替代的核心竞争力,提升基础设施保障能力,成为引领纳米科技的重要基地!

  新华日报·交汇点记者 蔡姝雯 张宣 实习生 孙广哲视频 蔡亮

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责编:郑亚群

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