編者按
納米制造技術(shù)涉及信息、材料、環(huán)境、能源、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、航空航天和國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域核心產(chǎn)品的制造，對(duì)未來(lái)國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的支撐作用。納米制造已成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。
為提升我國(guó)納米制造領(lǐng)域的源頭創(chuàng)新能力，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“自然科學(xué)基金委”）于2009年正式啟動(dòng)了“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃，以解決國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，發(fā)展原創(chuàng)的納米制造新原理與新方法，致力于解決我國(guó)納米制造的瓶頸問(wèn)題與“卡脖子”技術(shù)難題。
經(jīng)過(guò)8年的通力協(xié)作與奮斗，納米制造過(guò)程的尺度、精度與批量制造相關(guān)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)難題得到解決，納米制造工藝與裝備的理論體系與技術(shù)基礎(chǔ)初步建立，為納米制造的一致性和批量化提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)裝備支持——中國(guó)制造開(kāi)啟了納米精度時(shí)代！
本期自然科學(xué)基金版將總結(jié)該重大研究計(jì)劃取得的研究進(jìn)展，展示該計(jì)劃取得的研究成果。
“精度”上的創(chuàng)新
“明確我國(guó)科技創(chuàng)新主攻方向和突破口，努力實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)重大突破，主要?jiǎng)?chuàng)新指標(biāo)進(jìn)入世界前列。”2018年5月，習(xí)近平總書(shū)記在兩院院士大會(huì)上對(duì)“創(chuàng)新”提出了新要求。這也是半年來(lái)科學(xué)家在為自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃“納米制造的基礎(chǔ)研究”梳理總結(jié)成果時(shí)，不斷對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)。
“什么是創(chuàng)新？創(chuàng)新，就是把好的點(diǎn)子做出來(lái)。”2019年1月，該重大研究計(jì)劃畫(huà)上圓滿句號(hào)時(shí)，中國(guó)工程院院士、該重大研究計(jì)劃專家指導(dǎo)組組長(zhǎng)、西安交通大學(xué)教授盧秉恒對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》這樣闡述他心中的“創(chuàng)新”。
時(shí)間回溯至20世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）的啟動(dòng)，掀起了納米科學(xué)和技術(shù)的熱潮。隨后，包括生物分子馬達(dá)、納米機(jī)器人、納米傳感器、納米智能器件等在內(nèi)的一系列納米科學(xué)研究成果不斷在實(shí)驗(yàn)室涌現(xiàn)。
當(dāng)時(shí)，我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域的專家敏銳地意識(shí)到，作為納米科學(xué)走向納米技術(shù)的橋梁，納米制造將成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。2009年，該重大研究計(jì)劃的資助下，中國(guó)制造領(lǐng)域的專家聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家開(kāi)始探討如何布局中國(guó)納米制造未來(lái)發(fā)展。
“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃亦在彼時(shí)啟動(dòng)醞釀。專家們將“納米制造”定義為“通過(guò)納米精度制造、納米尺度制造、跨尺度制造為產(chǎn)品和器件提供一定功能的過(guò)程”。
盧秉恒和現(xiàn)任清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院院長(zhǎng)、中科院院士雒建斌分別出任該重大研究計(jì)劃專家組正副組長(zhǎng)。“我們的考慮是，通過(guò)這個(gè)重大研究計(jì)劃，面向我國(guó)重大戰(zhàn)略需求，引領(lǐng)中國(guó)制造精度水平的提升”——他們提出了這樣的目標(biāo)。
2019年1月，該重大研究計(jì)劃順利通過(guò)評(píng)估。8年來(lái)，在該重大研究計(jì)劃支持下，科學(xué)家們?nèi)〉玫亩囗?xiàng)成果帶動(dòng)制造學(xué)科取得跨越發(fā)展。評(píng)估會(huì)上，專家組自豪地評(píng)價(jià)：“中國(guó)制造開(kāi)啟了納米精度時(shí)代！”
把論文寫(xiě)在生產(chǎn)線上
近年來(lái)，有關(guān)“卡脖子”技術(shù)的議題在國(guó)內(nèi)備受關(guān)注。科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，只有突破關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)，才能徹底消除“卡脖子”的隱憂。而要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵領(lǐng)域核心技術(shù)的突破，首先要有好的點(diǎn)子——要從中國(guó)自己的基礎(chǔ)研究做起。
“中國(guó)在芯片制造裝備方面起步很晚，初始階段主要是電子學(xué)專家研究集成電路，幾乎沒(méi)有裝備領(lǐng)域的大團(tuán)隊(duì)從事芯片裝備的研發(fā)。”雒建斌坦言。直到2000年，我國(guó)高校和研究院所才逐步形成了相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)，陸續(xù)開(kāi)展芯片制造理論、工藝和裝備研發(fā)。
慶幸的是，作為我國(guó)資助基礎(chǔ)研究的主渠道，自然科學(xué)基金委在2009年啟動(dòng)該重大研究計(jì)劃時(shí)，布局了突破芯片制造相關(guān)核心技術(shù)的基礎(chǔ)研究。
8年里，科學(xué)家們從基礎(chǔ)理論的“好點(diǎn)子”開(kāi)始，揭示了納米尺度與納米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的尺度效應(yīng)、表面/界面效應(yīng)等規(guī)律，建立了納米制造理論基礎(chǔ)及工藝與裝備原理，為實(shí)現(xiàn)納米制造的一致性與批量化提供了理論基礎(chǔ)。
例如，清華大學(xué)的納米制造團(tuán)隊(duì)提出了化學(xué)機(jī)械去除理論，實(shí)現(xiàn)了單晶硅原子層的可控去除，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然—通訊》上。美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)曾評(píng)價(jià)：“該發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了在原子精度實(shí)現(xiàn)電子材料加工的新方法，這將是未來(lái)電路元器件加工精度進(jìn)一步提升至原子尺度控制水平的關(guān)鍵。”關(guān)于拋光顆粒的研究作為成果“摩擦過(guò)程的微粒行為和作用機(jī)制”的主要內(nèi)容獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
隨后，科學(xué)家將基礎(chǔ)研究成果拓展至工程應(yīng)用。2015年10月，國(guó)產(chǎn)首臺(tái)12英寸拋光設(shè)備進(jìn)入芯片制造大生產(chǎn)線，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際先進(jìn)水平，有效實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化。
沒(méi)有該重大研究計(jì)劃支持下的基礎(chǔ)研究原理創(chuàng)新，就沒(méi)有生產(chǎn)線上的高端機(jī)器。不過(guò)，在科學(xué)家看來(lái)，該重大研究計(jì)劃形成的新原理依然有許多未實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，對(duì)“卡脖子”技術(shù)的貢獻(xiàn)還有待進(jìn)一步提升。
學(xué)科交叉共融
回顧8年來(lái)的研發(fā)經(jīng)歷，雒建斌對(duì)學(xué)科交叉共融感觸頗深。“裝備本身是個(gè)大型機(jī)械，各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)離不開(kāi)機(jī)械原理學(xué)科，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制離不開(kāi)自動(dòng)化學(xué)科，而拋光過(guò)程則需要物理和化學(xué)知識(shí)。”他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
據(jù)了解，在強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉共融方面，該重大研究計(jì)劃突破傳統(tǒng)的一級(jí)學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)部交叉。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，8年來(lái)，在該重大研究計(jì)劃資助的項(xiàng)目中，交叉項(xiàng)目資助金額占比18.5%，資助項(xiàng)目論文成果涉及28個(gè)學(xué)科。
難能可貴的是，這些交叉學(xué)科又在主要的科學(xué)問(wèn)題上得到共融。例如，不同學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題都具有明顯的“制造”屬性，即如何保證納米制造過(guò)程的高精度、批量化和一致性。
西安交通大學(xué)納米制造研究團(tuán)隊(duì)自2001年起從事納米壓印方面的研究，如今已將壓印工藝的精度提高到納米量級(jí)。壓印工藝采用機(jī)械制造領(lǐng)域模板復(fù)形的概念制造納米結(jié)構(gòu)，可以形象地理解為用“月餅印”在月餅表面印出花紋。
據(jù)該團(tuán)隊(duì)青年科學(xué)家邵金友介紹，在傳統(tǒng)壓印技術(shù)難以走向工程應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)情況下，2008年后，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了界面電荷調(diào)控的納米壓印技術(shù)，突破了尺度效應(yīng)，使壓印力和脫模力都得到大幅降低，這一技術(shù)就是制造學(xué)科與物理學(xué)科交叉融合的結(jié)果。
另外，在該重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目支持下，制造專家也與化學(xué)家的思想碰撞出火花。將電化學(xué)反應(yīng)原理與模板約束成形技術(shù)相結(jié)合，廈門大學(xué)田中群院士研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了以約束刻蝕劑層技術(shù)（CELT）為支撐的納米結(jié)構(gòu)模板調(diào)制成形新方法，以接觸電勢(shì)誘導(dǎo)腐蝕的去除方式實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的電化學(xué)直接壓印成形，縮短了半導(dǎo)體材料成形的工藝鏈。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這種化學(xué)腐蝕和壓印相結(jié)合的方法，擴(kuò)大了壓印材料的種類。
凝聚人才隊(duì)伍
在盧秉恒看來(lái)，凝聚全國(guó)范圍內(nèi)的微納制造人才，是該重大研究計(jì)劃重要貢獻(xiàn)之一。“8年前，我國(guó)制造行業(yè)以傳統(tǒng)制造為主，大家著重于研究討論鍛造、焊接、沖壓等傳統(tǒng)方法。”他回憶。
該重大研究計(jì)劃實(shí)施的8年，逐漸形成了我國(guó)微納制造領(lǐng)域的“國(guó)家隊(duì)”。許多年輕科研人員的科研生涯深受該重大研究計(jì)劃的影響，從參與者逐漸成為科研骨干人才。
“自然科學(xué)基金委組織的重大研究計(jì)劃提供了一個(gè)平臺(tái)，把人才聚集起來(lái)。”一名重大研究計(jì)劃科學(xué)家告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“在參與重大研究計(jì)劃的過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)了許多同行，在各類交流中互相啟發(fā)和幫助。”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，該重大研究計(jì)劃實(shí)施期間，8位科研人員當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院或中國(guó)工程院院士，18位科研人員獲得國(guó)家杰出青年基金資助，另培養(yǎng)了974名博士后、碩士、博士。在科學(xué)家們看來(lái)，這都是該重大研究計(jì)劃在人才凝聚方面交出的優(yōu)異成績(jī)單。
面向未來(lái)，盧秉恒指出，科學(xué)家們正在爭(zhēng)取新一期重大研究計(jì)劃的支持。“希望能將精度從原子層級(jí)做到原子級(jí)，為發(fā)展人工智能、生命科學(xué)等科學(xué)前沿應(yīng)用，制造三維芯片提供支持。”他憧憬著。
摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
