栏目：物理科学 作者：佚名
宋凤麒 1，† 戴 庆 2，††
( 1 南京大学物理学院 固体微结构物理国家重点实验室 南京原子制造研究所 南京 210093 )
( 2 国家纳米科学中心 北京 100190 )
Atom manufacturing: a future technique of
physical sciences
SONG Feng-Qi1，† DAI Qing2，††
( 1 Institute of Atom Manufacturing，National Laboratory of Solid State Microstructures，
School of Physics，Nanjing University，Nanjing 210093，China )
( 2 National Center for Nanoscience and Technology，Beijing 100190，China )
摘 要 原子是物质世界中最基本的构成单元。原子制造通过精确操纵原子及功
能基元来从最底层创造全新的物质、材料和器件，并构建具有革命性能的装备和系统。
原子制造既是先进制造技术的极致化，也是量子理论的试验场，还是物质科学的未来技
术，甚至未来态。文章以团簇束流、扫描隧道显微镜、原子级多层异质结以及其他单原
子体系为例，介绍原子精准操控技术及其放大和集成，并探讨了原子制造在物质科学中
的发展意义和未来前景。
关键词 原子制造，原子精准操控，团簇，单原子器件，原子层及异质结，
物性定制
Abstract Atoms are one of the most fundamental building blocks of the known
physical world. Precise manipulation of atoms enables the creation of entirely new materials
from the bottom up, leading to the construction of devices and systems with disruptive
performance. Therefore, atom manufacturing is not only the ultimate capability pursued by the
manufacturing technologies, but also a playground of atomic scale quantum theory, and a future
technology, even the future state of physical sciences. This article briefly introduces the
technology of atomically precise manipulation and its amplification and integration using
atomic cluster beam, scanning tunneling microscopy, atomic-layer heterostructures, and other
single-atom systems as examples, and explores the significance and future prospects of atom
manufacturing.
Keywords atom manufacturing，atomically precise manipulation，atomic cluster，
single-atom device，atomically-thin layers and their heterostructures，customized property
2023－05－11 收到
† email：songfengqi@nju.edu.cn
†† email：daiq@nanoctr.cn
DOI：10.7693/wl20230601
·· 371
原子制造专题
·52卷 (2023年) 6 期
1 引言
在人类历史上，制造技术一直扮演着不可替
代的角色，促进了文明的进步和发展。如图 1 所
示，制造技术特征尺度的不断演进推动了新工具
和新产品的涌现，促进了社会的发展。可以预见，
具有原子级精度的原子制造技术将成为推动下一
次科技革命的核心。正如诺贝尔奖获得者理查德·
费曼所言：“如果想要真正理解自然界的一些事
物，我们必须从原子尺度进行考虑”。如何开发和
实现原子制造技术？如何利用原子制造技术创造
具有颠覆性能力的全新产品？这些问题促使原子
制造成为自“十三五”以来大国竞争的关键技术
焦点之一。这一技术将在微观层面上创造全新产
品。美国国防部高级研究计划局和能源部自 2015
年起就率先部署了相关的研究计划，并在 2022 年
发布的《美国先进制造国家战略》中进一步强化
了原子制造在微电子制造领域的应用。我国科技
部门也已经清醒地认识到原子制造技术的重要性，
意识到掌握这项技术将有助于扭转我国在集成电
路、量子科技、新材料创制、精密元器件等领域
的被动局面。因此，我国从 2016 年起就开始展开
围绕“原子制造”这一主题的学术研究、关键科
学问题发布和重大研究计划部署，以推动我国在
这一领域的发展。
原子制造具有重要的意义，其中包括两个方
面。首先，原子制造可以微缩器件的特征尺寸并
提高制造精度。在集成电路的发展中，越小的器
件尺寸意味着更高的集成度和更好的性能。利用
原子制造技术将器件尺寸缩小到原子水平，将成
为在后摩尔时代提高芯片性能的重要途径。其次，
原子制造更具颠覆性的意义，因为它可以突破分
子和晶体的限制，通过对原子的精细操控来创造
新分子、新材料和新器件。因此，原子制造不仅
是由原子尺度物质科学支撑的先进制造技术，而
且是推动物质科学发展的一种未来技术，甚至是
未来物质科学的一种新形态。本文旨在通过初步
介绍，向读者介绍原子制造在物质科学领域中的
重要意义。
2 原子精准操控：原子制造的核心基
础能力
什么是原子制造？其核心特征是什么？通过
与其他相关技术的比较，我们可以进行一些初步
的理解与把握。首先，原子制造不仅仅是亚纳米
尺度的制造技术，而且是以原子为单位进行制造
的技术。其次，原子制造不仅仅关注产品的原子
级完美，而更要关注制造源头上的原子特征。如
果从源头上实现原子级精准，我们就能保证每一
个制造步骤的原子特征，最终得到具备原子完美
特性的产品。因此，原子制造的核心基础能力是
逐一地、精准地操控原子，简称为原子操控。所
谓原子制造，就是精准操控原子及其功能基元，
按需设计构筑原子尺度功能微结构，从而高效提
供具备原子尺度特征和按需定制物性的全新产品
的科学技术体系。与其他相关技术相比，原子制
造具备最精细的原子操控能力和
对产品性能最底层的掌控力。因
此，它将在未来成为引领科技革
命的关键核心技术。
原子制造和一般的化学合成
之间有什么不同？尽管化学合成
可以用于原子制造，但是用于原
子制造的化学过程相较于一般的
化学合成也有其独特性。在原子
制造的化学过程中，每一个分解
动作都可以实现对原子的精准操
图 1 制造与尺度
·· 372
·52卷 (2023年) 6 期
控，因此整个过程呈现出一种精
准化学的特征。与一般物理研究
人员的观点不同，化学家非常期
待这种特征的出现。通过原子制
造技术，我们可以精确地控制原
子的位置、取向和组合方式，从
而构建出具有特定功能的原子尺
度物质结构。这种精准操控原子
的能力不仅可以用于制造新型材
料和器件，还可以对物质的基本
性质进行深入研究，为物质科学研究提供了新的
手段和思路。另外，经典的制造有着一种发展不
依赖于体系的工具和装备的理念，所以原子制造
也比较倾向于寻找一些不敏感依赖于具体体系的
操控工具，最好是可以装备化的工具。这也是原
子制造和传统化学材料研究略有不同的地方。
抓住原子精准操控这一核心线索，我们就可
以对原子制造技术进行追踪和总结。值得一提的
是，这种精准操控不仅仅包括操纵和搬动原子的
位置，还包括原子的量子态、键合状态等多种自
由度的操控。目前，人类有多种技术实现原子精
准 操 控 ， 包 括 原 子 分 子 束 、 扫 描 隧 道 显 微 镜
(STM)、配体包覆和原子/离子囚禁技术等。这些
原子精准操控技术、原子及其产物的检测技术、
技术高效化以及相关产品设计共同构成了原子制
造的技术体系。
如何从原子操控走向原子制造？在制造技术
界，大规模和一致性被认为是制造技术最核心的
两个特征。如果我们以这两点来衡量原子制造，
就会看到：原子精准操控能力使得原子制造的产
品一致性可以达到前所未有的程度，而宏量生产
是从原子操控走向原子制造实际应用的普遍限制
因素。如果以传统制造的宏量标准来衡量，很多
原子操控技术产额还达不到制造的水平。可喜的
是，宏量的数值定义是由实现产品功能的需求来
确定的。由于原子制造产品性能的核心指标比传
统产品有望出现多个数量级的提高，这使其对宏
量生产的数值要求有很大的下降。而另外一方面，
经过几十年的发展，上述原子操控技术处理规模
已经显著提高，包括原子团簇(简称团簇)束流 、
多针尖技术、程控组装、冷原子光晶格等。也就
是说，原子操控技术的效率正在接近或达到产品
功能应用的需求，我们当今正处于实现初级原子
制造的边缘。
必须澄清一个问题，原子操控技术一定是低
效的吗？这种原子操控低效的印象是人们从逐个
搬迁原子的技术上获得的，事实上这是一种误解，
这是一种对质(逐一控制的数目和步数)和对量(平
行操控的数量)的混淆。就从原子数控制来看，如
本文后段所述，虽然控制团簇中包含的原子数是
精巧细致的，但是从团簇数量来看，我们已经可
以实现每秒钟 1012—1013 的产额，并且已经足够在
集成电路加工中应用了。寻求原子制造的重要任
务之一也许就是在探索这种放量的途径。另外，
有些达到原子精度的技术也许就是暗合了携带原
子操控的能力才形成了原子级加工的效果。
3 原子团簇束流：精准物质合成
原子分子束流是最早具备一定原子尺度操控
能力的技术之一，其最典型的应用是团簇束流。
如图 2 所示，该团簇束流装置采用“气相随机凝
聚+谱学测量分选”的原理[1]，其基本流程如下：
首先，利用激光烧蚀、离子溅射、热蒸发等方法，
产生目标材料的高密度原子蒸汽；然后，通入大
量惰性气体，使该材料的原子之间充分碰撞并冷
却，从而产生包含各种原子数和结构的团簇；随
后，电离这些团簇，获得带有一个电荷的团簇离
子；最后，通过类似于日常质谱的技术(如磁偏
转、飞行时间法和四极杆等)，按照质量进行分
图 2 团簇束流操控原子数和原子结构创制新人工分子的思路
·· 373
原子制造专题
·52卷 (2023年) 6 期
选，即可获得特定原子数的团簇。在此基础上，
如果将团簇束流通过施特恩—格拉赫磁铁，利用
不同结构的团簇磁矩不同的特点，将束流进行偏
转，就可以获得特定原子数和特定结构的团簇。
此外，在操作中，可以引入拾取(pick-up)腔，该
腔由一个原子气室和一个质量筛选器组成，从而
实 现 逐 个 或 指 定 数 量 的 原 子 添 加 到 团 簇 上 的 操
控需求。这项技术是实现原子制造的一种重要手
段，我们可以追踪原子制造技术的发展历程并从
中总结出相应的规律与经验。
团簇束流研究的一个典型成果是足球烯 C60 的
发现。Smalley 等科学家利用激光烧蚀石墨的方
法，产生了 C 团簇的束流，并在实验结果中发现
C60 在质谱上表现出一个极为突出的峰。因此，他
们猜测 C60 可能是一个可以稳定存在的碳元素组成
的单质分子。基于这些数据和他们自身的知识，
Smalley 等人提出了 C60 的笼型结构理论。这标志
着一种全新物质的发现，并于 1996 年获得了诺贝
尔物理学奖[2]。类似的路线也被用于发现其他结
构有趣的人工物质，如金字塔形的 Au20 和红灯笼
形的 B40 等。进一步，多元素团簇也可以以同样的
方法实现，比如将 Ti 和 Al 进行随意匹配组合，可
以得到诸如 Ti1Al1、Ti1Al5、Ti2Al6 等等，这些都是
自然界不曾出现过的新物质。这些全新的物质表
现出独特的电子相互作用，并不断启发着物质学
科的前沿发展[3，4]。
为什么说团簇束流原子操控是一种原子制造？
因为其核心能力就是一种原子数和原子堆积结构
的精准操控，其产品就是创制的新团簇物质和新
材料。对比传统化学合成，这种团簇原子制造的
材料创制有鲜明的特色。利用一般的溶液化学法
合成各种新物质时，其操作难度与
实际结果具有一定的随机性，有些
材料可能几十年都无法合成。但是，
如果团簇原子制造成为现实，那么
就可以用气相物理方法完成新物质的
合成工作，以一种几乎任意合成的
能力协助当今的化学、材料合成工
作。因此，这种方法路线具有重要
的应用价值，可以以大量新物质新
材料体系支撑物质科学的长远发展，支撑我国材
料基因工程的开发，产生很大的社会和经济效益。
团簇束流原子制造方法的瓶颈在于产量。从
需求方面来看，要想对一种物质的物性进行系统
鉴 定 ， 通 常 需 要 毫 克 级 别 的 材 料 ， 大 约 相 当 于
1015—1017 个 分 子 。 图 3(a)展 示 了 20 世 纪 80 年 代
Smalley 所得到的 C60 离子质谱，其质谱流量仅为
皮 安 量 级 ， 每 秒 仅 有 百 万 个 分 子 (106/s)[5]。 据 估
算，为了生产出能够满足材料鉴定的基本需求的
产品，该装置需要运行数百年之久！这种团簇束
流装置的流量太低，极大地阻碍了从原子操控谱
学向大规模人工物质制造的发展。但幸运的是，
在过去的 30 年中，团簇束流在产量方面有了很大
的进展。自 20 世纪 90 年代起，德国弗莱堡大学
Hellmut Haberland 课题组和英国伯明翰大学 Rich‐
ard Palmer 课题组开始采用磁控溅射方法替代激光
方法来提供原子的气源，这大大提高了供气效率。
此外，他们还采用了一种横向飞行时间选择的方
法，在保证一定质量精度的前提下，提高了团簇
离子在离子光学中的透过率(提升到 80%)[6]。如图
3(b) 所 示 ， 2016 年 Richard Palmer 课 题 组 生 产 的
Ag3 团簇质谱流量最大可达 1 nA，这意味着团簇
离子可以在一小时内铺满一个表面，足以满足表
面器件研究的需求[7]。最近，日本庆应大学[8]和南
京大学(作者团队)等单位继续改进了溅射电源和
抽气方式，促进了质量选择时团簇离子流量的数
量级提高。2022 年，南京大学的团簇束流装置可
以产生 1 μA 的 Ag3 束流，如图 3(c)所示，这种装
置每天都可以提供毫克级的团簇材料，使得原子
数扫描式的团簇物性研究成为可能。南京大学最
图 3 质量选择团簇束流流量的发展 (a) R. Smalley 早期得到的 C60 离子质谱，
流量在皮安量级[5]；(b)伯明翰大学 Ag3 团簇质谱[7]，流量在纳安量级；(c) 2022 年
南京大学产生的 Ag3 团簇质谱，流量在微安级
·· 374
·52卷 (2023年) 6 期
近还在开展结构操控方面的研究，未来可以期待
在批量创制新团簇材料方面取得有趣的进展。
4 STM：操 控 孤 立 原 子 制 造 表 面 量 子
器件
1981 年 IBM 公司发明的 STM 技术被认为是
人类观察和操控单原子的开端。该技术基于量子
隧穿原理，利用一个原子尺度的针尖去扫描样品
表面，通过记录针尖和样品之间的隧穿电流，实
现原子尺度形貌的记录。适当设计操作模式，我
们就可以利用 STM 针尖对表面的单个原子、分子
以及纳米结构进行原子精准操控，从而构造出各
种人工微结构，如量子围栏等。这一技术既是观
察原子世界的利器，也是制造原子尺度器件的关
键工具。
STM 是原子操控中最具代表性的技术之一。
1989 年，IBM 公司使用 35 个原子书写了“IBM”
公司标志。随后，中国科学家在该领域迎头赶上，
1995 年，中国科学院北京真空物理开放实验室庞
世瑾等人使用 STM 操纵硅原子写出了“中国”二
字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一
席之地。近 20 年来，STM 技术在量子态研究和量
子器件设计制备方面取得了很多进展。如图 4(a)
所示，南京大学丁海峰课题组利用 STM 操纵 Fe
原子在 Ag(111)表面搭建了多种晶格[9]，在利布晶
格(Lieb lattice)扫描隧道谱的研究中发现原子间波
函数的交叠能存在长程作用，其
交叠能与原子间距成平方反比关
系，而非理论预测的指数衰减关
系 。 2017 年 ， 普 林 斯 顿 大 学 Ali
Yazdani 课题组利用 STM 将几个 Fe
原子摆放在超导衬底上，测量了
其端点上的马约拉纳束缚态，这是
对于神秘的马约拉纳费米子态的
少数几个确定的设计方案之一[10]。
2022 年，如图 4(b)所示，澳大利
亚新南威尔士大学的 Simmons 课
题组利用 STM 制备了单原子为核
心的 10 个量子点，开展了量子模
拟 工 作[11]。 他 们 与 南 方 科 技 大 学 的 合 作 也 取 得
单原子量子比特的成果，演示了多项计算操作。
STM 原子操控的产品是什么？是单原子量子
计算机或其他量子器件。在目前最普遍研究的超
导量子计算中，仅需约 50 位高质量的量子逻辑
比特就可以实现针对传统计算的量子优势，提高
这一数值(本质是量子体积)是该领域目前最重要
的竞争热点。相对于介观尺度的超导量子技术，
单原子操控的量子技术在相干时间、集成度方面
有很大的优势，量子体积有可能出现 4 个数量级
以上的增长，因此一旦取得突破，就有可能轻松
实现量子优势，而且可以实现多种相干操控。所
以，原子制造有可能显著提高量子计算器件的集
成度和容错能力，有望带领量子计算进入高质量
的通用化和实用化。
操控效率是 STM 原子制造中的一个关键因
素。2021 年，南京大学丁海峰课题组在 2 个多小
时里成功操控 54 个 Fe 原子绘制了党徽。由此可
见，STM 技术与传统工业级大规模制造之间仍存
在相当大的距离。近年来，这方面取得了显著进
展。Sugimoto 等日本科学家发现 Si(111)-(7×7)的
半晶胞上，两种子晶格表面的势能面高度弯曲，
存在较多亚稳态的能谷，可用于周期性阵列，以
限制单个吸附原子在子晶格间的扩散并操控原子
及微结构的形成[12]。通过连续的针尖“门控”，他
们可以将周围子晶格内的原子收集到特定子晶格
内，形成原子团簇的周期性图案。2019 年，中国
图 4 利用 STM 操控原子探索器件设计 (a)丁海峰课题组利用 Fe 原子在 Ag(111)表
面搭建的原子器件[9]；(b) M. Simmons 组制备单原子集成电路用于量子模拟[11]，其中
v 和 w 标记两个不同方向的耦合，dv < dw 时，相邻两个量子点在 v 方向距离小，耦合
强度 v > w，表现为平庸态，反之表现为拓扑态
·· 375
原子制造专题
·52卷 (2023年) 6 期
科学院物理研究所高鸿钧等科学家利用 STM 实现
了对石墨烯纳米结构的原子级精准可控折叠，构
建出一种新型的准三维石墨烯结构，如图 5 所示，
这展示了 STM 的原子操控能力的飞跃。基于这种
原子级精准的折叠技术，有望折叠其他新型二维
原子晶体材料形成复杂的叠层结构，进而制备出
功 能 原 子 结 构 及 其 量 子 器 件[13]。 2022 年 ， 美 国
Zyvex 公司展示了一种基于 STM 的原子操控的高
产额刻蚀技术[14]。考 虑 到 量 子 计 算 机 在 较 少 数
量 (约 50)的量子比特时就具有非凡的能力，这一
工艺可以说已经具备了一定的实用化潜力。这已
经成为近年来量子计算和原子制造领域一个重要
的研究方向。
5 精确操控的单原子功能中心
原子制造中的单原子是一个原子还是一个可
精确操控的单原子中心呢？我们可以通过化学方
法用一些无响应的配体原子包裹一个功能原子，
形成一个原子中心的配合物，还
可 以 通 过 组 装 的 方 法 将 这 些 原
子中心配合物形成一些微结构图
案 。 这 是 不 是 原 子 操 控 或 者 原
子制造？其产品是不是单原子器
件呢？
对于这个问题，我们需要更
本质地理解什么是单原子器件 。
我们可以反问，28 nm 器件只有
28 nm 大吗？并不是的。我们所
说的 28 nm 器件是指其核心功能
的有效电场诱导发生的位置尺度
大小为 28 nm。同样地，单原子
器件也完全不必是只有单个原子，
而应该是发生器件效应的位置是
单个原子。如果在发生器件效应
时，绝大部分的外场施加在单原
子上，并且器件的信号也都源于
单原子的电子结构，那么这就是
一个单原子器件。
这是目前单原子器件的普遍认知。早在 2002
年，康奈尔大学课题组就展示了一个单原子晶体
管，其中心就是一个含单个 Co 原子的配合物分
子 ， 施 加 栅 压 可 以 实 现 单 个 Co 原 子 价 态 的 变
化[15]。再如，澳大利亚 Simmons 课题组的单原子
量子器件也是如此，他们使用 Si 和 H 等多种原子
来 稳 定 一 个 P 原 子 ， 并 施 加 电 场 以 调 控 其 量 子
态[11]。类似地，2020 年我国多个课题组(包含作者
团队)联合利用电场操控 C82 笼中单个 Gd 原子的位
置(图 6)，实现了电阻的高低态及其擦写存储，该
器件也就是单原子的存储晶体管[16]。由于原子是
已知物质世界最小的可操控单元，所以这些单原
子的晶体管、存储晶体管和量子比特，有可能是
具有最高集成度和最极限性能的计算器件了。
此 外 ， 如 图 7 所 示 ， 金 刚 石 中 的 氮 — 空 位
(NV)色心、配体包裹的金属原子中心以及光晶格
囚禁的冷原子/离子等[17，18]，都可以达到类似的效
果，成为各种单原子器件以及原子制造的工艺平
台。如果进一步拓展，可以将包含少数个原子表
图 5 石墨烯纳米结构原子精准的可控折叠[13] (a)沿任意方向折叠和解折叠石墨烯
纳米结构的示意图(细长的黑色箭头为折叠方向)；(b)折叠和解折叠石墨烯纳米结构
的 STM 实验图；(c)折叠石墨烯纳米结构的三维 STM 图像；(d)沿图(c)中红色箭头方
向的 AFM 图像，左下方平坦处高度约为 0.71 nm
·· 376
·52卷 (2023年) 6 期
现出孤立原子特性的单元操控，以及利用配体配
合做三维的可控组装和器件制造，也纳入原子制
造的范畴。近期热门的单原子催化也可以认为是
初级的原子制造技术。甚至近期还有樊春海和柳
华杰课题组利用 DNA 折纸实现高通量原子图案制
造的案例，这也有可能应用于高集成的量子器件
的制造[19]。如何操控这些原子(或原子中心、类单
原子)，并制备按需设计的微结构，以实现原子微
观特性的宏观化和实用化，就是今后原子制造研
究的核心内容。这些方案也都可以探索各种新形
态的量子计算或量子精密测量器件。
6 原子层操控：多层异质结材料的创
制与器件设计
原 子 级 多 层 异 质 结 也 是 原
子 精 准 操 控 和 制 造 的 一 个 重 要
示 例 。 想 象 一 下 ， 如 果 我 们 可
以 精 确 地 控 制 在 某 个 维 度 上 的
原 子 生 长 ， 即 实 现 任 意 一 种 原
子的单层薄膜生长，如图 8(a)所
示，只要能任意生长 10 层薄膜，
哪怕都是单质的薄膜且不考虑构
型，也会获得超过 1020 种异质结
材料，这也展示了原子级制造技
术的巨大潜力。因此，实现单个
维度的原子制造技术，即薄膜的
精确生长，将在材料科学和物质
创新方面带来巨大的收益。
在制备原子级多层异质结方
面 ， 人 类 经 历 了 多 个 发 展 阶 段 。
早期，人类进行了薄膜生长的探
索，但是即使生长速度很慢，也
不能算作原子级薄膜的生长或原
子级制造的起步。直到分子束外
延以及相关的原子级检测技术的
出现，人类才第一次实现了原子
级薄膜的操控。超高真空技术一
方面可以保证有效抑制杂质，另
一方面，实时电子衍射可以逐层监测薄膜成形。
基于此，人类开始获得了大量各种人工异质结材
料，例如 HgTe-CdTe、GaAs-AlGaAs 等。这些异
质结及其相关的高端电子器件都是这些工作的成
果。然而分子束外延方法的效率很低，薄膜的生
长速度很慢。而且为了实现原子层控制，各层薄
膜之间必须要有很好的晶格匹配。因此，一种异
质结的优化往往需要很长时间，有时甚至需要数
年时间。面对巨大的材料多样性，分子束外延方
法的能力也显得十分局限，我们需要持续的探索
和创新来推动异质结研究的进一步发展。
石墨烯和二维材料的发现为原子级多层异质
结的制造带来了新的机遇。这些二维材料可以形
成自支撑的薄膜，并且可以通过胶带解理的方法
图 6 内嵌富勒烯分子作为单原子中心和器件的思路[16] (a)内嵌富勒烯分子结构图，
为类鸡蛋形；(b)内嵌富勒烯中特定原子的能级可以在一系列分子能级中区别出来；
(c)分子中特定原子的位置可以被操纵，图(a)、(c)中富勒烯包裹的绿色小球代表 Gd
原子；(d)一种可检测特定原子诱导的电子信号的内嵌富勒烯单分子器件，它具有很
高的可控性
图 7 更多的单原子操控对象 (a)金刚石色心；(b)配体包裹的金属单原子中心[17]；
(c)光晶格中的单原子[18]
·· 377
原子制造专题
·52卷 (2023年) 6 期
获得，因此不再需要晶格匹配，且可以控制层间
角度，从而可以快速地设计出大量的异质结材料
和器件，这也是二维材料领域如今非常繁荣的原
因。目前，已经可以获得数千种二维材料，全球
有数千个研究组同时进行二维材料堆叠器件的设
计工作，形成了涉及逻辑、存储、光电、传感、
电磁波、神经计算、量子模拟、极化激元(作者团
队)[20] 等多种功能的器件原型[21]，如图 8(b)和 8(c)
所示，与传统器件相比，这些器件的性能经常可
以在某些核心指标上提高成百上千倍。因此，这
类原子制造技术为后摩尔时代的芯片制造提供了
重要的支持。
在具体的材料生长和制造方面，化学气相沉
积方法已经可以实现大量二维材料的晶圆级薄膜
生长，包括石墨烯[22]、MoS2
[23] 和 BN[24] 等。其中，
部分薄膜尺寸甚至可以达到米级。此外，晶圆级
石墨烯可以在室温条件下观测到量子霍尔效应，
这表明其具有极高的电子传输质量[22，25]。近年来，
大面积折叠转移[13]、金属层硒化[26]等技术的发展，
也帮助实现了很多种异质结的大面积制备，这些
都为原子级多层异质结的批量制造和实用化提供
了关键的技术支撑。
7 原子制造能到多远？
我们能像《三体》里面的“水滴”一样做原
子核/核子制造吗(图 9)？这在目前看来是非常困
难的。虽然人类早在 20 世纪初就对原子形成了系
统的认识，但是直到 1980/1990 年代人类才第一次
看到和操纵一个原子，这是我们实施原子制造的
基础。在原子核发现超过 100 年后的今天，我们
实际上仍然无法拍到一张核子的照片，也无法实
现像我们对原子一样的自由搬迁与操控。而且从
量子不确定特征来看，原子有可能是最小的位置
可以确定操控的粒子了，因此，原子制造也许是
近些年内人类制造能力的极限。
一旦进入原子制造，人类制造技术的发展就
会走向终结吗？不是的，原子制造的彻底开发可
能需要全人类很长一段时间的努力。在当前微纳
制造的时代，物质科学和制造技术的发展也接近
和达到了原子水平，可以说已经开始接触到了原
子制造。但是，原子制造的空间和潜力远远不止
于此。原子制造不仅是将原子组装成静态材料，
还需要考虑到操控和组装原子的动态和功能性。
随着技术的进步和开拓，有望进一步探索并开发
出具有智能、动态功能的原子级基元，从而为微
制造技术带来更大的突破和发展。原子制造是推
动物质科学不断发展的一种未来技术，可以产生
大量从未有过的未来产品，甚至原子制造本身就
图 8 (a)二维材料设计原子级多层异质结的巨大空间；(b)国家纳米中心戴庆等人通过在 MoO3 上覆盖石墨烯构筑范德瓦耳斯异质结，
天线激发的极化激元穿过界面后形成负折射[20]；(c)南京大学王欣然等人设计的二维半导体训练—推理一体化存算器件[21]
图 9 《三体》中的水滴是核子制造吗？
·· 378
·52卷 (2023年) 6 期
是一种物质科学的未来态，以物
质世界的逐一原子创制兑现人类
对物质世界的终极把控。可以说，
原子制造和人工智能就是“上帝
的两只手”，是人类掌控未来的两
个重要工具。
总结一下原子制造能造什么。
如图 10 所示[27—31]，从最切近实际
应用的角度来看，原子操控赋能
的微纳加工技术有可能获得大量
原子精度的元器件，比如具备原
子级粗糙度表面的陀螺仪、光学
透镜等，这些元器件有可能展现
核心指标数量级提高的性能。如
果近中期开展系统的研发工作，首先，原子制造
将提供一套自下而上从原子尺度发展到几十纳米
尺度的芯片工艺，提供一批后摩尔时代的原子器
件原型，换道重跑，填补国内自主芯片工艺的空
白；其次，原子制造将提供单原子极限操控的方
案，多数量级地提高量子比特的相干性能，获得
固态单原子中心的集成和操控方案，从而以巨大
提升的量子体积推动量子科技走向实用化；最后，
原子制造将提供原子数、原子结构精确可控的团
簇技术，获得人工分子和物质的创制能力，配合
物性设计和组装技术，真正实现系统的材料基因
工程。远期来看，原子制造将带给人类控制最微
观运动和最底层智能的能力，带动人类社会进入
正如东南大学孙立涛教授总结的“以原子作为加
工对象，以原子定义加工精度，以原子调控产品
性能”的、智能和物质深度融合的原子制造新时
代。这些美好的产品和前景已经激励着各国各界
的集中努力，推动着原子制造技术的不断发展和
创新。
当前，国际上围绕原子制造领域开展的科技
竞争十分激烈。得益于国家持续对基础研究领域
的强力支持，我国在这方面也有了较好的科学基
础和队伍基础，具备了在原子制造技术和产业开
发中平等参加国际竞争的基本条件。因此，我们
应充分发挥建制化科研的优势，凝聚物理、机械、
化学、材料、电子、生物甚至计算机学科的力量
集中攻关，抓住这个创新超越的重要机遇，在先
进制造领域实现全球领跑。目前，南京、杭州和
上海等地都已成立了专门从事原子制造研究的机
构，《物理学报》[32]、Nanotechnology 等杂志也推
出了原子制造的专辑。这些都预示着原子制造领
域正在逐步发展。
与此同时，我们也必须认识到原子制造对传
统制造模式的巨大改变：传统制造依赖于更精细
的工具而非产品本身，依赖于对相对稳定的材料
进行加工，而在原子制造中，没有比原子更精细
的工具，材料会随着原子操控不断发生微妙变化。
这为原子制造的发展带来了巨大的挑战。因此，
我们必须回归到最基本的原子尺度物理和原子操
控技术上，深入加强相关的基础研究，才能使原
子制造走得更远。走向原子研究的物质科学最基
础，走向器件性能的原子制造最未来，这也是本
文最大的意义。
致 谢 十分感谢南京大学王广厚院士、祝世
宁院士，厦门大学谢素原院士，武汉大学徐红星
院士和清华大学雒建斌院士的指导；感谢南京大
学王伯根、王欣然、丁海峰、高力波教授，浙江
大学居冰峰、陈远流教授，东南大学孙立涛教授，
天津大学房丰洲教授，厦门大学谭元植教授和中
国科学院纳米能源与系统研究所潘曹峰老师的讨
论；感谢南京大学物理学院费付聪副研究员、王
天奇同学和王景在写作中的辅助。
版权声明：文章观点仅代表作者观点，作为参考，不代表本站观点。部分文章来源于网络，如果网站中图片和文字侵犯了您的版权，请联系我们及时删除处理！转载本站内容，请注明转载网址、作者和出处，避免无谓的侵权纠纷。
下一篇：厨房中的物理知识
相关推荐