摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

原子及近原子尺度制造（ACSM）开启了制造工程的新时代，即制造III。ACSM的目标不仅是实现原子级制造的精度和功能特征尺寸，同时要实现原子或近原子尺度上的材料去除、迁移或增加。材料可以通过ACSM方法获得小尺寸结构，并被赋予由量子、电磁、热效应产生的特殊功能，因而ACSM能够被应用于多个领域。然而，在原子及近原子尺度下，制造机制是受量子理论而非经典理论主导。ACSM因此会面临两个挑战：制造确定性和产品稳定性。近期，思克莱德大学精密加工中心的高健博士生、罗熙淳教授与天津大学/爱尔兰都柏林大学房丰洲教授、大连理工大学孙吉宁教授在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）共同发表《原子及近原子尺度制造的基本原理综述》的文章，系统地介绍了ACSM中的量子力学原理、原子间相互作用和能量与物质间相互作用的本质、几种ACSM方法的机理研究以及未来展望。图1展示了制造系统及其建模方法和主导理论的尺度图。
亮点：
● 讨论了制造中的量子力学及其影响，指出ACSM和经典制造的理论界限；
● 从量子力学角度揭示了原子间相互作用以及能量束与物质间相互作用的物理本质；
● 详细介绍了几种ACSM方法的主导机制及其仿真研究；
● 比较几种ACSM方法的相互作用、代表性方法、加工分辨率和建模方法；
● 对未来的ACSM理论研究方向进行了展望，包括ACSM建模、材料选择和制备、加工工具和环境的控制。

图1  制造系统及其建模方法和主导理论的尺度图。（a）ACSM, 经许可使用，CC BY 4.0，版权所有（2016）作者；（b）纳米制造；（c）微制造, 经许可使用，CC BY 4.0，版权所有（2017）作者；（d）传统制造。

2. 研究背景

材料可以通过ACSM获得小尺寸结构，并被赋予由量子、电磁、热效应产生的特殊功能，因而ACSM能够被应用于多个领域。首先，ACSM可以为未来一代的量子、phonics或DNA芯片提供制造解决方案。随着加工尺度的持续缩小，极紫外光刻技术（EUVL）将很快达到物理极限，而无法制造新一代芯片的原子及近原子级特征结构。第二，ACSM可以用来制造单原子晶体管。尽管这一原子级器件已经在实验室中成功制造，但实现原子级的制造精度和稳定性仍然是其规模化生产所面临的主要挑战。二维材料如石墨烯和二硫化钼能够作为非常稳定的晶体管基底，但这种材料依然需要复杂的制造工艺来修改原子间的强共价键，以形成并稳定预期的图案。此外，过去几十年中出现的新器件，如量子比特器件、基于自旋的逻辑器件、二元原子逻辑门和单原子存储器，也必将促进对ACSM技术的需求。面临这些挑战，很多研究团队为ACSM的研究投入了大量的努力和投资，并取得了一些瞩目的进展。本文对ACSM过程的基本原理展开了系统的分析与讨论，确定阻碍其实现的内在问题。

3. 研究进展

文章揭示了几种ACSM方法的制造机制，包括基于扫描探针显微镜（SPM）尖端的方法、化学自限性方法、基于光的方法以及基于粒子束的方法，并详细阐述了原子间相互作用和能量束与物质的相互作用对实现原子尺度制造精度的影响，最后讨论了研究基本制造机制的建模方法。
基于SPM尖端的方法能够实现原子级锋利针尖的埃米级控制，并以此来实现原子尺度结构的加工与操纵，如图2。化学自限性方法利用材料的化学自限性特征实现原子层级的加工分辨率，如图3。对于基于原子力显微镜尖端的方法和化学自限性方法，原子尺度的加工能力是由原子间相互作用决定的，如化学键、范德华力、泡利排斥等。在基于扫描隧道显微镜尖端的方法中，影响加工过程的机制还包括原子与隧穿电流的相互作用。

图2  基于SPM尖端的原子操纵过程示意图。（a）垂直操纵，（b）水平操纵，（c）垂直互换，（d）水平互换。

图3  化学自限性工艺的示意图。（a）原子层蚀刻（ALE）工艺，（b）原子层沉积（ALD）工艺。

基于能量束的方法可以在精确控制能量束与加工材料的作用区域时获得几纳米的特征结构，其中，扫描隧道电子显微镜的电子束可以作为特殊工具实现原子操纵。基于能量束的制造过程中，影响图案化分辨率的机制主要是能量束与物质的相互作用，如图4中的光化学反应、图5中的聚焦电子束刻蚀（FEBE）和聚焦电子束沉积（FEBD）、以及图6中的氦离子束溅射。

图4  一个DNQ分子的光解。经许可使用，版权所有（1992） American Chemical Society。

图5  基于聚焦电子束的制造工艺示意图。（a）聚焦电子束刻蚀（FEBE）工艺，（b）聚焦电子束沉积（FEBD）工艺。经许可使用，版权所有（2015） American Vacuum Society。

图6  氦离子溅射在石墨烯/SiC上的单层MoS2上产生的缺陷示意图。这些缺陷包括硫空位、一个钼空位和石墨烯层的缺陷。经许可使用，版权所有（2020） American Chemical Society。

随着制造的最小特征尺寸接近原子及近原子级，该尺度下的物理现象对制造过程的影响愈发明显。为了应对这一影响带来的挑战，需要一种可靠的物理和数学建模方法。基于量子力学的第一原理计算因此成为揭示ACSM过程基本机制的重要手段。与基于牛顿力学的经典计算方法相比，第一性原理方法能够提供更可靠的过程与机理描述。其中，密度泛函理论（DFT）方法、紧束缚密度泛函（DFTB）方法和含时密度泛函理论（TD-DFT）方法是研究ACSM的制造机制和过程优化的代表性工具。在之前的研究中，密度泛函理论和紧束缚密度泛函方法通过描述原子结构、相互作用能、最小能量路径和发生原子转移的概率，揭示了基于SPM尖端方法、化学自限制方法和基于能量束方法的原子间相互作用机理；含时密度泛函理论方法则是通过对光吸收、光化学反应、光激发以及电子停止和激发过程的描述，揭示了光与物质以及粒子束与物质的相互作用机理及其对时间的依赖特性。

4. 未来展望

一些先进制造方法已经在研究中证实了其原子或近原子尺度的图案制造能力，这些方法可能是基于不同的材料及不同的工作原理，依赖或不依赖外部能量来源。然而，ACSM的研究仍处于起步阶段，在实现确定性制造和产品稳定性方面仍然存在巨大挑战。面对这些挑战，未来的理论研究可以集中在以下几个方面。第一，为了在ACSM过程模拟中提供合理的保真度并同时保证足够的计算效率，有必要开发具有时间及成本效益的建模方法和框架。第二，为了提高形成预期图案的概率并保持原子尺度图案的稳定，需要研究并开发智能的材料选择与制备方法。第三，为了控制和优化所制造图案的尺寸并提高实现预期加工结果的概率，有必要采用一种具有成本效益的建模方法来揭示尖端尺寸或能量分布与ASCM的确定性之间的关系。此外，建立能够反映环境对ACSM影响的可信模型将有助于克服环境限制并开发出可在"正常"制造环境下运行的具有成本效益的ACSM工艺。