探秘最接近月球環(huán)境的納米真空互聯(lián)實驗站

◎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(qū)向東，緩緩行駛的汽車穿過波光粼粼的獨墅湖，將許多各具特色的現(xiàn)代化建筑拋在后面，靠近了一座看上去“毫不起眼”的小樓。

(資料圖片)

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)實驗站(以下簡稱實驗站)，也是目前地球上最接近月球真空環(huán)境的大型科研場所。

“實驗站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際先進水平的核心技術(shù)成果。”8月28日，在接受科技日報記者采訪時，實驗站主任張珽研究員自豪地說。

開建接近月球環(huán)境的實驗站

綠樹掩映下，記者步入了實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……

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

對于普通人來說，納米這個詞匯帶有一點距離感。其實，納米只是一種長度單位，1納米為10^-9米。納米材料則是指長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(gòu)成的材料。在微觀尺度下，納米材料仿佛打開了一個物質(zhì)的新世界。

“實現(xiàn)納米材料表面或界面調(diào)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)未來信息器件及集成電路的關(guān)鍵技術(shù)問題。”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Class10超凈間為例，在1立方英尺的空間中，不能有超過10粒0.5微米以上的粉塵。”張珽說，“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，開始建設(shè)世界首個集材料生長、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)實驗站。

克服兩大挑戰(zhàn)完成建設(shè)

深入實驗站內(nèi)的科研區(qū)域，仿佛進入了電影中的未來世界——總長203米的銀色超高真空管道縱橫交錯，將40臺大型設(shè)備聯(lián)接起來，磁性傳輸小車載著樣品以每分鐘3.2米的速度駛過真空管道內(nèi)的軌道，并由管道外履帶上的磁鐵“導(dǎo)航”至各個設(shè)備節(jié)點。

“國外某真空裝置和我們同期建設(shè)，不僅規(guī)模和復(fù)雜度遠不如我們，真空度也低很多，這就意味著在他們那里材料很快就會變得‘不那么干凈’。”實驗站副主任崔義研究員介紹，為了達到超高真空環(huán)境，實驗站通過改良管道材料、處理工藝和設(shè)置多級泵組等多種方式，設(shè)計并改造了設(shè)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(shè)中的另一個難點就是在保證真空性能的前提下，實現(xiàn)所有設(shè)備互聯(lián)互通。”實驗站副主任李坊森研究員說，大部分現(xiàn)成的設(shè)備無法滿足需求，要靠科研人員自己動手改造。

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

今年2月，實驗站二期建設(shè)項目成功驗收。“目前，實驗站的真空度優(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的‘保真期’，突破了長期以來阻礙納米材料基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(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(chǔ)設(shè)施是納米科技創(chuàng)新的基石。在張珽看來，實驗站已經(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。

記者見到俞鳳至?xí)r，他正在實驗站內(nèi)進行新一代存儲器材料的開發(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)在這里駐點實驗3年，目前進展順利，預(yù)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，主要原因就是無法在真空環(huán)境下實現(xiàn)不同晶體材料的連續(xù)生長。

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

2021年，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士團隊找到實驗站，他們在研發(fā)鋅離子電池時遇到難題，希望能借助實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(jié)構(gòu)小到納米級別，即使倍數(shù)最大的光學(xué)顯微鏡也無法看清。此外，負極表面結(jié)構(gòu)極易與空氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

“找遍全球，只有這里才能滿足實驗需求。”羅丹坦言。通過與實驗站深度合作，他們最終獲得各類表征數(shù)據(jù)完全吻合的實驗結(jié)論，相關(guān)成果發(fā)表在《先進材料》上，引發(fā)全球關(guān)注。

目前，實驗站接待的科研用戶已超過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(dǎo)材料等領(lǐng)域取得了一批重要成果。

“納米真空互聯(lián)實驗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)開發(fā)進一步發(fā)展的瓶頸，提升我國重大儀器設(shè)備的研制水平。”展望未來，張珽充滿信心地說，“我們期待實驗站這一重大科學(xué)裝置產(chǎn)出更多優(yōu)秀成果！”

來源：科技日報

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