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2019年 第1卷 第1期
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Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
引用: Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
shu

面向原子和近原子尺度制造


doi: 10.1088/2631-7990/ab0dfc
详细信息

  • 1Center of Micro/Nano Manufacturing Technology (MNMT), Tianjin University, People’s Republic of China

  • 2Center of Micro/Nano Manufacturing Technology (MNMT-Dublin), University College Dublin, Ireland

  • 3Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, People’s Republic of China

  • 4Department of Mechanical Engineering, Northwestern University, United States of America

  • 5State Key Laboratory of Ultra-Precision Machining Technology, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, People’s Republic of China

  • 6Singapore Institute of Manufacturing Technology, Singapore

  • 7Department of Precision Science and Technology, Graduate School of Engineering, Osaka University, Japan

  • 刊出日期: 2019-12-01

  • 自从18世纪70年代以来，工具及制造技术精度以前所未有速度向前发展，经历毫米级手工制造、微米及纳米级机器制造、并逐步进入原子尺度。天津大学房丰洲教授提出了以原子及近原子尺度制造为核心的制造发展的下一个时代， 即，制造III，并与国际该领域研究人员一起基于去除，增加及迁移机制的系统的梳理了该技术。文中阐明制造业的发展历程和趋势可分为三个阶段：以经验和技艺为基础的手工成型制造I时代，基于机器精度的可控制造II时代，接近物质基本组成的原子和近原子尺度的制造III时代。 论文系统地分析了包括超精密加工，高能粒子束加工，原子刻蚀及基于原子力显微镜制造技术用于获得原子尺度结构及原子精度表面。目前，聚焦电子束可以实现针对二维材料原子级去除。原子尺度增材制造则以大分子可控组装为主，例如DNA 折叠结构，基于蛋白质及缩氨酸可控组装复杂结构。原子级迁移则概述了扫描隧道显微镜、原子力显微镜及扫描透射电子显微镜用于单个原子的操作。并在此基础之上归纳了原子和近原子尺度制造、测量及应用。半导体领域摩尔定律逐渐逼近其物理极限。其典型代表如：苹果A12 芯片及华为麒麟980芯片都采用了7纳米加工工艺。 这就意味着每个平方厘米的芯片上集成了近70亿个电子管。业界同时还在开发5纳米及3纳米加工工艺，而线宽3nm意味着几十个原子宽度。这一切都说明无论是工业界还是科研领域，人们已经逐渐进入原子领域。与此同时，人类社会的发展面临资源枯竭、环境污染、气候变化、水资源缺乏及贫困等诸多挑战，这些挑战都与人类生产生活方式息息相关。 我们应该怎么做呢？作者认为原子和近原子尺度制造改变了原材料，器件及产品生产方式用与满足用户的苛刻使用要求， 可以彻底改变包括人类现有生产方式，进而应对人类社会所面临的诸多挑战。未来针对原子和近原子尺度制造将基于基础研究、探索原子级功能器件、多种材料原子和近原子尺度制造、 并实现原子和近原子尺度规模化制造。

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  • 房丰洲教授长期从事超精密加工技术及装备、微纳加工、光学自由曲面设计与加工、脆性材料复杂曲面加工检测的基础研究与应用开发。他是国际纳米制造学会（ISNM）创始主席、纳米制造与检测国际期刊（Nanomanufacturing and Metrology）主编、国际纳米制造学会（ISNM）会士、国际生产工程院（CIRP）会士、和国际制造工程师学会（SME）会士，是国内唯一两次先后在国际生产工程院发表主题报告的研究人员。

  • 张楠博士，现任都柏林大学机械与材料工程学院制造与设计专业讲师/助理教授，都柏林微纳制造技术中心（MNMT Dublin）成员。研究方向为多尺度制造、聚合物微纳制造、原子和近原子尺度的制造以及在微流体、医疗器械和功能表面中的相关应用等。

  • 郭东明教授，1992年获大连理工大学机械工程博士学位。2003年获国家杰出青年基金，2009年获国家技术创新一等奖。多年来，他致力于精密超精密加工与检测、数字化制造技术与设备研究。郭东明教授是大连理工大学校长、中国工程院院士、中国机械工程学会副会长、大连理工大学现代制造技术创新团队负责人、973项目首席科学家，国家自然科学基金委委员。

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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面向原子和近原子尺度制造

doi: 10.1088/2631-7990/ab0dfc
  • 1Center of Micro/Nano Manufacturing Technology (MNMT), Tianjin University, People’s Republic of China
  • 2Center of Micro/Nano Manufacturing Technology (MNMT-Dublin), University College Dublin, Ireland
  • 3Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, People’s Republic of China
  • 4Department of Mechanical Engineering, Northwestern University, United States of America
  • 5State Key Laboratory of Ultra-Precision Machining Technology, Department of Industrial and Systems Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, People’s Republic of China
  • 6Singapore Institute of Manufacturing Technology, Singapore
  • 7Department of Precision Science and Technology, Graduate School of Engineering, Osaka University, Japan
    • 作者简介:

    房丰洲教授长期从事超精密加工技术及装备、微纳加工、光学自由曲面设计与加工、脆性材料复杂曲面加工检测的基础研究与应用开发。他是国际纳米制造学会（ISNM）创始主席、纳米制造与检测国际期刊（Nanomanufacturing and Metrology）主编、国际纳米制造学会（ISNM）会士、国际生产工程院（CIRP）会士、和国际制造工程师学会（SME）会士，是国内唯一两次先后在国际生产工程院发表主题报告的研究人员。

    张楠博士，现任都柏林大学机械与材料工程学院制造与设计专业讲师/助理教授，都柏林微纳制造技术中心（MNMT Dublin）成员。研究方向为多尺度制造、聚合物微纳制造、原子和近原子尺度的制造以及在微流体、医疗器械和功能表面中的相关应用等。

    郭东明教授，1992年获大连理工大学机械工程博士学位。2003年获国家杰出青年基金，2009年获国家技术创新一等奖。多年来，他致力于精密超精密加工与检测、数字化制造技术与设备研究。郭东明教授是大连理工大学校长、中国工程院院士、中国机械工程学会副会长、大连理工大学现代制造技术创新团队负责人、973项目首席科学家，国家自然科学基金委委员。

  • 刊出日期: 2019-12-01

摘要: 

自从18世纪70年代以来，工具及制造技术精度以前所未有速度向前发展，经历毫米级手工制造、微米及纳米级机器制造、并逐步进入原子尺度。天津大学房丰洲教授提出了以原子及近原子尺度制造为核心的制造发展的下一个时代， 即，制造III，并与国际该领域研究人员一起基于去除，增加及迁移机制的系统的梳理了该技术。文中阐明制造业的发展历程和趋势可分为三个阶段：以经验和技艺为基础的手工成型制造I时代，基于机器精度的可控制造II时代，接近物质基本组成的原子和近原子尺度的制造III时代。 论文系统地分析了包括超精密加工，高能粒子束加工，原子刻蚀及基于原子力显微镜制造技术用于获得原子尺度结构及原子精度表面。目前，聚焦电子束可以实现针对二维材料原子级去除。原子尺度增材制造则以大分子可控组装为主，例如DNA 折叠结构，基于蛋白质及缩氨酸可控组装复杂结构。原子级迁移则概述了扫描隧道显微镜、原子力显微镜及扫描透射电子显微镜用于单个原子的操作。并在此基础之上归纳了原子和近原子尺度制造、测量及应用。半导体领域摩尔定律逐渐逼近其物理极限。其典型代表如：苹果A12 芯片及华为麒麟980芯片都采用了7纳米加工工艺。 这就意味着每个平方厘米的芯片上集成了近70亿个电子管。业界同时还在开发5纳米及3纳米加工工艺，而线宽3nm意味着几十个原子宽度。这一切都说明无论是工业界还是科研领域，人们已经逐渐进入原子领域。与此同时，人类社会的发展面临资源枯竭、环境污染、气候变化、水资源缺乏及贫困等诸多挑战，这些挑战都与人类生产生活方式息息相关。 我们应该怎么做呢？作者认为原子和近原子尺度制造改变了原材料，器件及产品生产方式用与满足用户的苛刻使用要求， 可以彻底改变包括人类现有生产方式，进而应对人类社会所面临的诸多挑战。未来针对原子和近原子尺度制造将基于基础研究、探索原子级功能器件、多种材料原子和近原子尺度制造、 并实现原子和近原子尺度规模化制造。

English Abstract

Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
引用本文: Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
shu
Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
Citation: Fang F Z, Zhang N, Guo D M, Ehmann K, Cheung B et al. Towards atomic and close-to-atomic scale manufacturing. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 012001 (2019).
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