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原子制造:基础研究与前沿探索

“原子制造:基础研究与前沿探索”专题编者按 

特邀编辑: 高鸿钧 中国科学院物理研究所   

DOI: 10.7498/aps.70.020101 

          制造技术的不断迭代发展带来了器件性能的飞跃, 也推动着人类技术的进步. 伴随着器件特征尺寸的不断缩小, 制造技术先后经历了宏观制造、介观制造、微观制造和纳米制造等多个阶段, 当前最具代表性的半导体工艺, 已经从微米尺度走到最前沿的3 nm 左右, 并进一步向更小的尺度迈进.因此, 制造技术进入到原子尺度已不再是遥不可及的梦想, 而成为现在科技界研究前沿的现实对象.然而, 在原子尺度下, 常规制造技术在材料、结构和器件的制造过程中遇到了原理性和系统性的瓶颈和壁垒, 这种制造精度的提升将不再是线性微缩, 而是从经典行为到量子行为的跨越, 势必孕育出颠覆性的新材料、新器件和新原理. 例如, 有限原子数的小团簇会呈现与块体截然不同的结构和物理性质, 甚至产生类似高温超导的“能隙”; 超导基底上的铁磁原子线会形成马约拉纳费米子器件,是拓扑量子计算的载体; 二维原子晶体材料家族中, 石墨烯的费米速度比块材石墨高上千倍, 扭角石墨烯则可以形成奇特的莫特绝缘体态, 单层的二硫化钼具有比块材高10 万倍的二阶非线性光学系数; 原子精确操控的晶体管有可能形成相干的高质量量子点阵列, 也有可能成为具有选择性的极限单分子灵敏度的气体传感器, 等等. 因此, 单原子层次上的功能器件设计与制造—原子制造, 迅速成为当前科学、技术和产业界共同关注的前沿研究热点. 原子制造是采用“自下而上”的变革性技术路线, 在原子水平的高效制造工艺, 是精细制造技术发展的必然趋势, 也是物质科学的终极梦想之一. 我们希望从原子这一常规物质世界的底层, 通过对单原子的精细操控, 制备新型原子材料, 构筑新器件, 并制作出新系统, 为解决“未来制造”提供一条从基础研究出发的新路线. 

       正是在这种科学梦想的感召及各级部门的关心和鼎力支持下, 国内快速形成了一支有影响力的学术队伍, 出现了一批优秀的工作, 使得我们出版一个以原子制造为主题的专辑成为可能. 同时, 为了帮助读者系统了解原子制造—单原子层次上功能器件制造—的前沿研究与最新进展, 推动原子制造技术及相关研究的进一步发展, 本刊特邀请部分活跃在本领域前沿各研究方向的专家, 围绕原子制造主题, 从材料、物理、化学、力学、模拟、实验和理论等诸方面, 以不同的视角介绍最新进展、问题、现状和展望. 专题内容包括: 1) 原子尺度的制造与检测工艺; 2) 二维原子材料与器件的研究; 3) 其他原子水平的材料与器件研究.我相信并希望“原子制造: 基础研究与前沿探索”专辑能对相关研究提供有价值的参考, 推动该领域的发展, 为国家科技发展做出重要贡献.

客座编辑:杜世萱 中国科学院物理研究所; 宋凤麒 南京大学; 戴庆 国家纳米科学中心
物理学报.2021, 70(2).
基于原子操纵技术的人工量子结构研究
李宇昂, 吴迪, 王栋立, 胡昊, 潘毅
2021, 70 (2): 020701. doi: 10.7498/aps.70.20201501
摘要 +
扫描隧道显微镜原子操纵技术是指利用扫描探针在特定材料表面以晶格为步长搬运单个原子或分子的技术.它是纳米尺度量子物理与器件研究领域一种独特而有力的研究手段. 利用这种手段, 人们能够以原子或分子为单元构筑某些常规生长或微加工方法难以制备的人工量子结构, 通过对格点原子、晶格尺寸、对称性、周期性的高度控制, 实现对局域电子态、自旋序、以及能带拓扑特性等量子效应的设计与调控. 原子操纵技术与超快测量及自动控制技术的结合, 使得人们能够进一步研究原子级精准的量子器件, 因而该技术成为探索未来器件新机理、新工艺的重要工具. 本文首先简介原子操纵方法的发展过程和技术要点, 然后分别介绍人工电子晶格、半导体表面人工量子点、磁性人工量子结构、人工结构中的信息存储与逻辑运算、单原子精度原型器件等方面的最新研究进展, 以及单原子刻蚀和自动原子操纵等方面的技术进展, 最后总结并展望原子操纵技术的应用前景和发展趋势.
原子芯片的基本原理、关键技术及研究进展
李沫, 陈飞良, 罗小嘉, 杨丽君, 张健
2021, 70 (2): 023701. doi: 10.7498/aps.70.20201561
摘要 +
飞速发展的激光冷却、囚禁与操控中性原子的理论和实验技术不仅促进了人们对微观物质运动规律的认知, 而且在精密测量和量子信息领域催生了多项颠覆性的器件与应用. 不同于传统复杂庞大的原子光学实验装置, 原子芯片通过在硅等基底上制备的表面微纳结构或器件来精准控制磁场、电场或光场, 从而在小尺度、低功耗条件下实现对原子的强束缚与相干操控, 被认为是一种稳定、精确、功能及扩展性强大的原子及其量子态片上实验平台, 具有广泛且重大的应用价值. 本文首先简要回顾了原子芯片的发展历程, 然后介绍了基于载流导线的微势阱及微导引实现原子芯片的基本原理, 并着重讨论了基于载流导线的原子芯片制备技术、测试方法和集成的全链条关键实现技术. 随后, 本文综述了各国与原子芯片相关的研究计划布局和主要应用进展, 指出原子芯片走向实用面临的挑战性问题, 并对其未来发展进行了展望.
从蘸笔纳米刻印术到力化学打印
俞奕飞, 曹毅
2021, 70 (2): 024202. doi: 10.7498/aps.70.20201537
摘要 +
蘸笔纳米刻印术(dip-pen nanolithography, DPN)作为一种独特的纳米加工手段, 具有在各类基底上书写精细图案的能力. 自20世纪末诞生以来, 研究者们对DPN中的墨水输运原理有了更深入的理解, 同时受惠于材料学的发展并结合复杂生化反应体系, 数种基于DPN衍生的纳米加工技术被开发出来. 与此同时, 依靠机械作用引发的一类化学反应, 即力化学(mechanochemistry), 在最近数十年来获得了越来越多的关注, 多种新颖的实验方法被引入. 本综述将介绍DPN及若干衍生技术的原理与应用, 以及力化学的机理与实现方法, 进而探讨结合这两者优势发展力化学打印的可能, 并揭示其在纳米技术及原子制造领域的应用前景.
面向原子制造的框架核酸研究进展
杨蓓, 李茜, 柳华杰, 樊春海
2021, 70 (2): 026201. doi: 10.7498/aps.70.20201437
摘要 +
框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构, 不仅能精准定位功能基元, 还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质, 以及单分子水平化学与生化反应的精准调控. 利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装, 可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成, 进而实现器件制造, 有望推动从原子到宏观的精确功能化的制备. 本文围绕框架核酸和原子制造两大前沿的交叉领域, 阐述框架核酸在原子级精准构筑方面的可行性和优势, 首先介绍了具有原子级精准性的框架核酸的构建, 以及利用框架核酸进行功能化组装的一般策略, 然后着重探讨框架核酸在器件构筑方面的研究进展, 最后就面向原子制造的未来发展方向进行了展望.
二维Janus原子晶体的电子性质
王盼, 宗易昕, 文宏玉, 夏建白, 魏钟鸣
2021, 70 (2): 026801. doi: 10.7498/aps.70.20201406
摘要 +
自从石墨烯问世以来, 具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注. 其中, 使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质, 引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材料的研究. 作为二维材料的重要衍生物, Janus二维材料(尤其是Janus过渡金属硫化物)已成为近年来的研究热点. 实验和理论上均已证实这类材料由于具有镜面不对称性而拥有新颖的特性, 例如强的Rashba效应和平面外压电极化, 为其在传感器、制动器和其他机电设备中的应用提供了广阔的前景. 本文综述了新兴的Janus二维材料(包括Janus石墨烯, 各种Janus 二维材料以及Janus二维范德瓦耳斯异质结)的最新研究进展, 总结了Janus二维材料独特的电子性质和潜在的应用. 最后, 给出了对Janus二维材料进行下一步探索的结论和展望.
化学气相沉积法制备大面积二维材料薄膜: 方法与机制
王铄, 王文辉, 吕俊鹏, 倪振华
2021, 70 (2): 026802. doi: 10.7498/aps.70.20201398
摘要 +
近年来, 二维层状材料由于其丰富的材料体系和独特的物理化学性质而受到人们的广泛关注. 后摩尔时代要求器件高度集成化, 大面积、高质量的二维材料可以保证器件中结构和电子性能的连续性. 要实现二维材料工业级别的规模化生产, 样品的可控制备是其前提. 化学气相沉积是满足上述要求的一种强有力的方法, 已广泛应用于二维材料及其复合结构的生长制备. 但是要实现多种二维材料大尺寸以至晶圆级的批量制备仍然是很困难的, 因此, 需要进一步建立对各种二维材料生长控制的系统认识. 本文基于材料生长机理分析了化学气相沉积反应中的物质运输、成核、产物生长过程对二维材料尺寸的影响, 以及如何通过调控这些过程实现二维材料大面积薄膜的可控制备. 通过对目前研究成果的总结分析, 讨论了如何进一步实现二维材料的高质量大面积制备.
原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究
刘子媛, 潘金波, 张余洋, 杜世萱
2021, 70 (2): 027301. doi: 10.7498/aps.70.20201636
摘要 +
随着信息技术的不断进步, 核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展. 尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性. 从原子结构出发, 预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件, 对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义. 理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等, 是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段. 本综述从第一性原理计算角度出发, 回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展, 并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.
二维原子层谷电子学材料和器件
孙真昊, 管鸿明, 付雷, 沈波, 唐宁
2021, 70 (2): 027302. doi: 10.7498/aps.70.20201415
摘要 +
人为操控电子的内禀自由度是现代电子器件的核心和关键. 如今电子的电荷和自旋自由度已经被广泛地应用于逻辑计算与信息存储. 以二维过渡金属硫属化合物为代表的二维原子层材料由于其具有独特的谷自由度和优异的物理性质, 成为了新型谷电子学器件研究的优选材料体系. 本文介绍了能谷的基本概念、谷材料的基本物理性质、谷效应的调控和谷电子学器件的研究进展, 并对谷电子学材料和器件的研究进行了总结与展望.
二维黑磷的光学性质
黄申洋, 张国伟, 汪凡洁, 雷雨晨, 晏湖根
2021, 70 (2): 027802. doi: 10.7498/aps.70.20201497
摘要 +
黑磷是继石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)之后又一个备受关注的二维材料. 黑磷从单层到块材都是直接带隙半导体, 且带隙从单层的1.7 eV一直随着层数的增加而减小, 到块材则变为0.3 eV, 涵盖了可见光到中红外波段, 恰好填补了石墨烯和过渡金属硫族化合物的带隙在该波段的空白. 同时, 黑磷还具有很高的载流子迁移率、良好的调控性、面内各向异性等优异特性, 很快便引起了人们广泛的研究兴趣. 本论文主要介绍了当前有关二维黑磷光学性质方面的研究进展, 包括黑磷的本征光学性质, 如带间跃迁吸收、激子、光致发光、光学性质的稳定性; 外界微扰, 如应变、电场等对黑磷光学性质的影响; 最后做了总结与展望. 希望本文对黑磷光学性质研究的综述, 能够引起对黑磷研究的更广泛兴趣.
二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用
姚文乾, 孙健哲, 陈建毅, 郭云龙, 武斌, 刘云圻
2021, 70 (2): 027901. doi: 10.7498/aps.70.20201419
摘要 +
自石墨烯被发现以来, 二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展, 以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷. 随着二维新材料制备与应用探索的不断发展, 单一材料性能的不足逐渐凸显, 研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足, 甚至获得一些新的性能. 利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结, 实现特定的功能化, 或利用范德瓦耳斯力进行堆垛, 将不同二维材料排列组合, 从而在体系里引入新的自由度, 为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口. 本文从原子制造角度, 介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用. 首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念, 然后从原理上分类列举了常用的表征方法, 随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法, 并对其光电性质及器件应用做了简要介绍. 最后, 对领域内存在的问题进行了讨论, 对未来发展方向做出了展望.
气相沉积技术在原子制造领域的发展与应用
郭秦敏, 秦志辉
2021, 70 (2): 028101. doi: 10.7498/aps.70.20201436
摘要 +
随着未来信息器件朝着更小尺寸、更低功耗和更高性能方向的发展, 构建器件的材料尺寸将进一步缩小. 传统的“自上而下”技术在信息器件发展到纳米量级时遇到瓶颈, 而气相沉积技术由于其能在原子尺度构筑纳米结构引起极大关注, 被认为是最有潜力突破现有制造极限进而在原子尺度构造、搭建物质形态的“自下而上”方法. 本文重点讨论适用于低维材料的原子尺度制造的分子束外延技术和原子层沉积/刻蚀技术. 简要介绍相关技术中蕴含的科学原理及其在纳米信息器件加工和制造领域的应用, 并探讨如何在原子尺度实现对低维功能材料厚度和微观形貌的精密控制.
核酸-金属复合物及其在原子制造领域的应用
李圣凯, 郝卿, 彭天欢, 陈卓, 谭蔚泓
2021, 70 (2): 028102. doi: 10.7498/aps.70.20201430
摘要 +
原子及近原子尺度制造是直接以原子为操纵对象, 构建具有特定功能的原子尺度结构, 并实现批量生产以满足所需要的前沿制造技术, 是国际学术研究的前沿热点问题. 本综述总结了核酸材料在精准原子制造中的应用及前景, 从核酸材料的基本结构与功能出发, 论述了DNA与金属原子相互作用的基本原理. 从天然核酸材料、人工碱基“分子元素”、核酸纳米结构等方面分类介绍了核酸材料介导的精准原子制造的发展历程与突破性进展. 最后, 对该领域存在的一些挑战与机遇进行了系统性总结, 并对其未来发展方向进行了展望.
二维材料的转移方法
廖俊懿, 吴娟霞, 党春鹤, 谢黎明
2021, 70 (2): 028201. doi: 10.7498/aps.70.20201425
摘要 +
二维材料及其异质结在电子学、光电子学等领域具有潜在应用, 是延续摩尔定律的候选电子材料. 二维材料的转移对于物性测量与器件构筑至关重要. 本文综述了一些具有代表性的转移方法, 详细介绍了各个方法的操作步骤, 并基于转移后样品表面清洁程度、转移所需时间以及操作难易等方面对各个转移方法进行了对比归纳. 经典干、湿法转移技术是进行物理堆叠制备原子级平整且界面清晰范德瓦耳斯异质结的常用手段, 结合惰性气体保护或在真空条件下操作还可以避免转移过程中二维材料破损和界面吸附. 高效、无损大面积转移方法为二维材料异质结构建和材料本征物理化学性质测量提供了强有力的技术保障. 转移技术的优化将进一步扩展二维材料在高温超导、拓扑绝缘体、低能耗器件、自旋谷极化、转角电子学和忆阻器等领域的研究.
${\bf Ta_4C}_{ n}^{\bf -/0}$ (n = 0—4)团簇的电子结构、成键性质及稳定性
张超江, 许洪光, 徐西玲, 郑卫军
2021, 70 (2): 023601. doi: 10.7498/aps.70.20201351
摘要 +
${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇电子结构、成键性质以及稳定性进行了研究. 实验测得${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-} $ (n = 0—4)团簇负离子基态结构的垂直脱附能分别为(1.16 ± 0.08), (1.35 ± 0.08), (1.51 ± 0.08), (1.30 ± 0.08)和(1.86 ± 0.08) eV. 中性Ta4Cn (n = 0—4)团簇的电子亲和能分别为(1.10 ± 0.08), (1.31 ± 0.08), (1.44 ± 0.08), (1.21 ± 0.08)和(1.80 ± 0.08) eV. 研究发现, ${\rm{Ta}}_4^{-/0} $团簇为四面体结构, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_1^{-/0} $团簇中碳原子覆盖在Ta4四面体的一个面上方, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_2^{-/0} $团簇则是两个碳原子分别覆盖在Ta4四面体中的两个面上方. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-/0} $团簇是一个缺角立方体结构. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_4^{-/0} $团簇则是近似立方体结构, 可以看成是α-TaC面心立方晶体的最小晶胞单元. 分子轨道分析结果显示${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的单电子最高占据轨道主要布居在单个钽原子周围, 导致${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的垂直脱附能明显低于其相邻团簇. 理论研究显示随着碳原子数目的增加, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇中的钽-钽金属键逐渐被钽-碳共价键取代, 单原子结合能逐渐增加且明显高于${\rm{Ta}}_{4+n}^{-/0} $(n = 0—4)团簇. 中性Ta4C4的单原子结合能高达7.13 eV, 这说明钽-碳共价键的形成有利于提高材料的熔点, 这与碳化钽作为高温陶瓷材料的特性密切相关.">本文采用尺寸选择的负离子光电子能谱技术, 结合密度泛函理论, 对${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇电子结构、成键性质以及稳定性进行了研究. 实验测得${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-} $ (n = 0—4)团簇负离子基态结构的垂直脱附能分别为(1.16 ± 0.08), (1.35 ± 0.08), (1.51 ± 0.08), (1.30 ± 0.08)和(1.86 ± 0.08) eV. 中性Ta4Cn (n = 0—4)团簇的电子亲和能分别为(1.10 ± 0.08), (1.31 ± 0.08), (1.44 ± 0.08), (1.21 ± 0.08)和(1.80 ± 0.08) eV. 研究发现, ${\rm{Ta}}_4^{-/0} $团簇为四面体结构, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_1^{-/0} $团簇中碳原子覆盖在Ta4四面体的一个面上方, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_2^{-/0} $团簇则是两个碳原子分别覆盖在Ta4四面体中的两个面上方. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-/0} $团簇是一个缺角立方体结构. ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_4^{-/0} $团簇则是近似立方体结构, 可以看成是α-TaC面心立方晶体的最小晶胞单元. 分子轨道分析结果显示${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的单电子最高占据轨道主要布居在单个钽原子周围, 导致${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_3^{-} $团簇的垂直脱附能明显低于其相邻团簇. 理论研究显示随着碳原子数目的增加, ${\rm{Ta}}_4{\rm{C}}_n^{-/0} $ (n = 0—4)团簇中的钽-钽金属键逐渐被钽-碳共价键取代, 单原子结合能逐渐增加且明显高于${\rm{Ta}}_{4+n}^{-/0} $(n = 0—4)团簇. 中性Ta4C4的单原子结合能高达7.13 eV, 这说明钽-碳共价键的形成有利于提高材料的熔点, 这与碳化钽作为高温陶瓷材料的特性密切相关.
新型层状Bi2Se3的第一性原理研究
郭宇, 周思, 赵纪军
2021, 70 (2): 027102. doi: 10.7498/aps.70.20201434
摘要 +
近年来, 在石墨烯研究热潮的推动下, 众多种类丰富、性能各异的二维化合物材料相继被发现, 其中一些二维材料具有多种同素异构体, 进而呈现出更丰富的性质. 层状Bi2Se3由于其独特的物理性质, 受到人们广泛的关注, 而它的同素异构体尚未有人研究. 本文采用基于密度泛函理论的结构搜索方法, 预测了一个稳定的β-Bi2Se3新相, 它具有良好的动力学和热力学稳定性, 并在低Bi2Se3源化学势条件下容易形成. 单层β-Bi2Se3是一个直接带隙为2.44 eV的二维半导体, 其电子载流子有效质量低至0.52m0, 在可见光范围内具有高达105 cm–1的光吸收系数, 并且能带边缘位置适中, 可用于光催化水分解制氢气. 此外, 由于β-Bi2Se3在垂直层面方向的镜面对称性破缺, 能够产生面外极化强度, 具有0.58 pm/V的面外压电系数. 鉴于其新颖的电子特性, 二维β-Bi2Se3在未来的电子器件中可能发挥重要的作用.