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1. 文章导读

制造业是国民经济的基础，为加速实现“中国制造”升级为“优质制造”，必须在制造领域寻找新的突破口，实现制造业的跨越式发展。房丰洲教授提出了以原子及近原子尺度制造（简称ACSM制造）为核心的制造发展的下一个时代，即制造III。制造III的理论远远超出常规制造的理论和技术范畴，更多地依赖于新的科学原理和理论基础，对我国在下一轮国际竞争中获得优势地位具有战略意义。

2018年6月21日，科技部官网在国内外科技动态栏目，发表文章《原子尺度的制造将引发电子产业革命》。文中指出：加拿大阿尔伯塔大学的科学家利用机器学习将原子尺度的制造完善并自动化，这项前所未有的进步，为大规模生产比人们现今使用设备更快、更小、更环保的新型电子产品铺平了道路。它可以使智能手机在两次充电间工作数月，可以使计算机速度快上百倍，但使用的能量少一千倍。这一突破是世界各地科学家数十年研究成果的结晶，目的是为推动原子尺度、低功耗电子产品的发展创造解决方案。将制造过程缩小到原子尺度，可以产生一种新型电路，它使用的电力要少很多，需要的原材料更少，这对经济和环境都是有利的。

在全球各国高度重视原子尺度制造的大背景下，天津大学/爱尔兰都柏林大学房丰洲教授、爱尔兰都柏林大学张楠博士、大连理工大学郭东明院士、美国西北大学Kornel Ehmann教授、香港理工大学张志辉教授、新加坡制造技术研究院资深科学家刘奎博士、日本大阪大学Kazuya Yamamura教授在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）创刊号上发表《面向原子和近原子尺度制造》综述，系统介绍了ACSM制造的研究背景、最新进展及未来展望。

2.研究背景

自从18世纪70年代以来，工具及制造技术精度以前所未有的速度向前发展。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，制造精度从毫米到微米及纳米，进而达到原子尺度，如图1所示。当加工的尺度从微米、纳米向原子尺度逼近时，出现了原子量级的材料去除、迁移或增加，传统的加工理论已无法解释这一尺度下发生的现象和效应。这也标志着制造技术将从以经典力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的现代制造技术，走向基于多学科综合交叉集成的新一代制造技术。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III，其远远超出常规制造的理论和技术范畴，在电子信息、材料、新能源、生物医药和国防安全领域具有重要研究价值和广阔应用前景，是新一代制造技术发展的重要方向。文中还基于去除、增加及迁移机制，系统地梳理了该技术。

图1 20世纪机器加工精度能力提升（Reproduced with permission.）

3.最新进展

文中讲到：用于获得原子尺度结构及原子精度表面的技术包括超精密加工、高能粒子束加工、原子刻蚀及基于原子力显微镜制造技术等。

聚焦电子束目前可以实现针对二维材料原子级去除，图2所示为过渡金属硫化物纳米线原子结构，其线宽可达~5 Å。

图2 多种过渡金属硫化物纳米线原子结构。（a）纳米线原子结构模型，红色虚线表示纳米线各层方向；（b）MoSe (橘色)、MoS (黄色), and WSe (蓝色)纳米线实验（左图）和仿真（右图）扫描透射电子显微镜Z向对比图（标尺为0.5nm）。（Reproduced with permission.）

原子尺度增材制造的主要途径之一是大分子可控组装。例如DNA分子被用作纳米级结构和器件的分子构件，由于核酸的碱基配对规则限制，合理设计碱基序列可以形成具有精确控制特性的纳米级目标结构。目前已开发出多种方便的设计规则和可靠的装配方法用以实现日益复杂的DNA纳米结构，如图3所示。

图3 DNA纳米结构图案。（a）周期性二维阵列、三维晶状DNA螺旋形图案：双交叉DNA片段，4× 4 DNA片段，6× 4 DNA片段，张力集成三角DNA片段；（b）DNA折叠纳米结构：二维DNA折叠笑脸图案，齿轮状三维DNA折叠图案，瓶状单层弯曲三维折叠图案，网格状DNA折叠图案。（Reproduced with permission.）

原子级迁移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，图4所示，基于原子力显微镜，实现探针针尖控制Sn-Si原子交换的垂直操作，这种垂直操作大大减少了操作时间，图中结构实现仅需1.5小时。在上述基础上，文章还归纳了ACSM制造、测量及应用。

图4 原子力显微镜探针针尖控制Sn-Si原子交换的垂直操作：（a）相互作用的原子垂直交换，可实现原子标记的“写入”（图b）和“擦除”（图c），实验在室温下进行；（d）探针针尖与表面的复杂接触。（Reproduced with permission.）

4.未来展望

无论是工业界还是科研领域，人们关注的焦点已经逐渐进入原子领域。例如半导体领域摩尔定律逐渐逼近其物理极限（1965年发表），其预测高密度集成电路中晶体管数量每两年将增加一倍，从1971年的2300个增加到2015年的1.5亿个，如图5所示。典型代表为：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。

图5 英特尔主流微处理器芯片上的晶体管数量（Reproduced with permission.）

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ACSM改变了原材料、器件及产品生产方式用于满足用户的苛刻使用要求，可以彻底改变人类现有生产方式，进而应对人类社会所面临的诸多挑战。未来ACSM的研究将侧重于基础研究，开发原子级功能器件，多种材料原子和近原子尺度制造，实现规模化制造。