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    “找遍全球,只有這里滿足實驗需求”

    時間:2023-08-31 18:09:01       來源:科技日報

    上圖 科研人員在納米真空互聯實驗站對實驗數據進行采集和記錄。


    (資料圖片僅供參考)

    下圖 納米真空互聯實驗站內部。

    圖片來源:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

    蒙蒙細雨飄落江南,初秋的荷花在暖風中爭奇斗艷。江蘇蘇州市區向東,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。

    這里就是中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的納米真空互聯實驗站(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、第三代半導體材料及器件等具有國際先進水平的核心技術成果?!?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。

    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成的材料。在微觀尺度下,納米材料仿佛打開了一個物質的新世界。

    “實現納米材料表面或界面調控,乃至探索真空互聯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’、研發未來信息器件及集成電路的關鍵技術問題?!睆埇E告訴記者。

    然而,納米材料的制備、測試、加工極其困難?!耙灾圃煨酒腃lass 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,要求更加苛刻?!?/p>

    為了給科研人員提供接近月球環境的實驗條件,2014年,中國科學院蘇州納米技術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裝置——納米真空互聯實驗站。

    克服兩大挑戰完成建設

    深入實驗站內的科研區域,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臺大型設備聯接起來,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的軌道,并由管道外履帶上的磁鐵“導航”至各個設備節點。

    “國外某真空裝置和我們同期建設,不僅規模和復雜度遠不如我們,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’?!睂嶒炚靖敝魅未蘖x研究員介紹,為了達到超高真空環境,實驗站通過改良管道材料、處理工藝和設置多級泵組等多種方式,設計并改造了設備和管道的聯接方式,確保每一處的真空度保持均衡。

    “建設中的另一個難點就是在保證真空性能的前提下,實現所有設備互聯互通?!睂嶒炚靖敝魅卫罘簧芯繂T說,大部分現成的設備無法滿足需求,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備則分布在真空管道主軸線的兩旁?!敝钢l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,我們實現了所有設備的互聯互通?!?/p>

    今年2月,實驗站二期建設項目成功驗收?!澳壳?,實驗站的真空度優于2×10^-8帕斯卡,接近月球的環境,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研究和技術開發的瓶頸?!贝蘖x告訴記者。

    成為納米材料研究“聚寶盆”

    科研基礎設施是納米科技創新的基石。在張珽看來,實驗站已經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。

    記者見到俞鳳至時,他正在實驗站內進行新一代存儲器材料的開發。作為洛瑪瑞芯片技術常州有限公司的研發人員,俞鳳至和同事已經在這里駐點實驗3年,目前進展順利,預計今年年底完成第一批流片。此前,國外也有同行嘗試研發這種新型存儲器,但效果卻不盡理想,主要原因就是無法在真空環境下實現不同晶體材料的連續生長。

    除了接待國內的科研工作者,國外也有不少科研人員將目光投向了實驗站。

    2021年,加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士團隊找到實驗站,他們在研發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,鋅負極的表面結構小到納米級別,即使倍數最大的光學顯微鏡也無法看清。此外,負極表面結構極易與空氣發生反應,導致結構發生變化。

    “找遍全球,只有這里才能滿足實驗需求?!绷_丹坦言。通過與實驗站深度合作,他們最終獲得各類表征數據完全吻合的實驗結論,相關成果發表在《先進材料》上,引發全球關注。

    目前,實驗站接待的科研用戶已超過220家,包括清華大學、北京大學、中國科學技術大學等,在能源材料、低維材料、高溫超導材料等領域取得了一批重要成果。

    “納米真空互聯實驗站提供了一種變革性的技術路線,有利于突破阻礙納米領域內基礎研究和技術開發進一步發展的瓶頸,提升我國重大儀器設備的研制水平?!闭雇磥?,張珽充滿信心地說,“我們期待實驗站這一重大科學裝置產出更多優秀成果!”(記者 張曄)

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