摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

原子级制造作为未来国家战略技术发展的 “基石”，标志着从基于 “经典理论” 的微纳时代迈向基于 “量子理论” 的原子时代的变革性转变。它能够在原子尺度上精确控制物质的排列和组成，从而实现原子精度和结构化产品的大规模生产。电化学沉积（ECD）是电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）中一种典型的 “原子构筑” 制造方法，可在原子尺度上精确控制材料性能，有助于在半导体、量子计算、新材料、纳米医学等领域实现革命性的性能突破。EC-ACSM在实际生产中面临着精确控制原子－离子相互作用、电极－电解质界面动力学和表面原子缺陷等难题，制约了其规模化应用。

近期，北京工业大学张宏刚教授课题组联合都柏林大学张楠教授团队、斯特拉斯克莱德大学罗熙淳教授团队、河南理工大学明平美教授团队，在 SCI 期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing）上发表了题为《Frontiers in atomic-level manufacturing: atomic-scale electrochemical deposition》的综述文章，系统剖析了EC-ACSM的基础理论、无掩模电化学原子沉积技术等前沿进展，论述了用于原子尺度电极/电解质界面动力学的原位监测技术及原子-电子模拟手段，提出了通过克服原子-离子相互作用控制、界面动力学调控和表面原子缺陷处理等方面的挑战，来推进EC-ACSM技术工业应用的发展思路，对原子级制造领域的发展具有重要意义，开启材料创新和器件制造的新原子时代。

图1. 基于量子制造理论的电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）技术。

2. 图文解析

图2展示了制造范式在精度和尺度上的演进，从经典制造到量子增强制造，再到量子制造。按时间维度划分，从 20 世纪 50-2000 年的微米级经典制造，到 2000 年以来的纳米尺度量子增强制造，再到当下及未来的原子尺度量子制造。从极限加工层面分析，制造精度从微米级、纳米级向原子级递进。不同制造尺度下的典型产品依次为微机电系统、电子器件、量子芯片。直观呈现制造技术在精度和尺度上的发展趋势，反映了从传统制造方法向以原子及近原子尺度制造（ACSM－制造III的核心使能技术）为主导的技术转变历程。

图2. 从精度与尺度视角看制造范式的发展趋势。

原子尺度电化学沉积的基础理论涵盖多方面（如图3）：电极/电解质界面（EEI）的电化学双电层（EDL）结构关键，从早期模型发展至今，包括紧密吸附离子的内亥姆霍兹平面和扩散层弱吸附离子 ；在原子尺度，量子效应如离散能级、电子隧穿等影响电子转移速率，可提高阴极表面形核率和稳定原子簇形成；EDL 理论是电池、ECD 等技术基础，当前研究致力于克服量子效应与经典理论耦合难题，通过原位监测与先进模拟结合推动工业化应用。

图3. 电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）的基础理论。

基于探针的电沉积技术在实现原子级电沉积方面展现出重要潜力（如图4），该技术将原子力显微镜（AFM）与微流控集成，通过悬臂传输电解质溶液，AFM 探针作微电极，实现高空间分辨率的微纳结构成核与生长，制作复杂三维金属纳米结构。在微纳电子领域，可制造高性能芯片、传感器及 MEMS 部件，助力电子设备小型化与高性能化；新材料研发中，能精确控制原子排列，制备特殊性能材料，为新型催化剂、光电器件等奠基。

图4. 基于原子探针的电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）技术。

原位监测在原子尺度电化学沉积中意义重大，通过对沉积表面特征进行原子尺度原位观察，可精准把控成核位点、晶粒形成等过程，掌握控制材料结构和质量的参数。图5总结了原位电化学技术包括扫描隧道显微镜（STM）、电化学原子力显微镜（EC-AFM）、液相透射电子显微镜（LPTEM） 、激光共聚焦显微镜-微分干涉显微镜（LCM-DIM）、电化学阻抗谱（EIS）和拉曼光谱等，可用于揭示电化学反应、成核和原子生长机理。

图5. 电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）的原子级原位监测技术。

3. 总结与展望

未来，电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）极具发展潜力。一方面，需优化新型原子探针电化学沉积技术以实现近原子分辨率 3D 打印，借助实时监测和模拟技术提升沉积均匀性；另一方面，要深化原子级电铸复制技术与纳米压印光刻（NIL）、电子数（EBL） 等先进光刻技术的协同，制造高性能原子级表面光学元件。此外，还应在量子计算、纳米电子学和生物制造等新兴领域拓展应用，如用于量子点生产、制备生物相容性材料等，开发多材料沉积系统构建复杂结构，为多领域发展提供支持。

图6. 电化学原子及近原子尺度制造（EC-ACSM）的未来发展趋势。

4. 团队简介

北京工业大学微纳与原子级制造实验室，主要开展基于半导体技术的微纳与原子级制造基础与应用研究。在高端应用方面，主要围绕LIGA技术（光刻－刻蚀－镀膜－电铸－纳米压印）在微流控、微纳光学、微纳结构功能性表面等领域的产业化拓展，并致力于解决整个工艺链中的关键科学与工程问题。在前沿基础领域，主要从事原子层刻蚀、原子精度表面复制技术研究，立足于突破EUV光刻机反射镜/X射线收集镜的原子精度制造与芯片制造共性难题。团队同时结合人工智能与原子级制造开展原子智能制造新领域的探索研究。