“找遍全球，只有這里滿足實(shí)驗(yàn)需求”——探秘最接近月球環(huán)境的納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站

　　【走近大國重器】

　　◎本報記者 張 曄

　　蒙蒙細(xì)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(dú)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。

　　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(shí)驗(yàn)站(以下簡稱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)水平的核心技術(shù)成果?！?月28日，在接受科技日報記者采訪時，實(shí)驗(yàn)站主任張珽研究員自豪地說。

　　開建接近月球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)站

　　綠樹掩映下，記者步入了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)站進(jìn)行的主要科研項(xiàng)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(diǎn)距離感。其實(shí)，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(xiàng)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(shí)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(rèn)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Class 10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?！睆埇E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?！?/p>

　　為了給科研人員提供接近月球環(huán)境的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)站。

　　克服兩大挑戰(zhàn)完成建設(shè)

　　深入實(shí)驗(yàn)站內(nèi)的科研區(qū)域，仿佛進(jìn)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(diǎn)。

　　“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(yuǎn)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’?！睂?shí)驗(yàn)站副主任崔義研究員介紹，為了達(dá)到超高真空環(huán)境，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)就是在保證真空性能的前提下，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備互聯(lián)互通?！睂?shí)驗(yàn)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(yuǎn)程操作和運(yùn)輸，將樣品通過機(jī)械手送進(jìn)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?！敝钢l(fā)出金屬光澤的機(jī)械手和緩慢移動的小車，李坊森告訴記者，“就這樣，我們實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備的互聯(lián)互通。”

　　今年2月，實(shí)驗(yàn)站二期建設(shè)項(xiàng)目成功驗(yàn)收?！澳壳?，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)3年，目前進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)站。

　　2021年，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士團(tuán)隊(duì)找到實(shí)驗(yàn)站，他們在研發(fā)鋅離子電池時遇到難題，希望能借助實(shí)驗(yàn)站的力量完成研究“最后一棒”。該團(tuán)隊(duì)成員羅丹博士介紹，鋅負(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)需求?！绷_丹坦言。通過與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論，相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，引發(fā)全球關(guān)注。

　　目前，實(shí)驗(yàn)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(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)開發(fā)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，提升我國重大儀器設(shè)備的研制水平?！闭雇磥恚瑥埇E充滿信心地說，“我們期待實(shí)驗(yàn)站這一重大科學(xué)裝置產(chǎn)出更多優(yōu)秀成果！”