探秘最接近月球环境的纳米真空互联实验站

蒙蒙细雨飘落江南，初秋的荷花在暖风中争奇斗艳。江苏苏州市区向东，缓缓行驶的汽车穿过波光粼粼的独墅湖，将许多各具特色的现代化建筑抛在后面，靠近了一座看上去“毫不起眼”的小楼。

这里就是中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的纳米真空互联实验站（以下简称实验站），也是目前地球上最接近月球真空环境的大型科研场所。

“实验站已培育出第二代量子材料及器件、第三代半导体材料及器件等具有国际先进水平的核心技术成果。”8月28日，在接受科技日报记者采访时，实验站主任张珽研究员自豪地说。

(资料图)

开建接近月球环境的实验站

绿树掩映下，记者步入了实验站所在的灰白色大楼。宽敞整洁的大厅深处别有洞天——墨绿色的地板上，各式各样的科研仪器陈列在两旁，身穿白大褂的科研人员穿梭往来……

张珽告诉记者，实验站进行的主要科研项目中，大多与纳米器件及纳米材料有关。

对于普通人来说，纳米这个词汇带有一点距离感。其实，纳米只是一种长度单位，1纳米为10-9米。纳米材料则是指长宽高中至少有一项处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。在微观尺度下，纳米材料仿佛打开了一个物质的新世界。

“实现纳米材料表面或界面调控，乃至探索真空互联下原子制造等全新制备工艺，是全球公认的突破‘摩尔定律失效魔咒’、研发未来信息器件及集成电路的关键技术问题。”张珽告诉记者。

然而，纳米材料的制备、测试、加工极其困难。“以制造芯片的Class 10超净间为例，在1立方英尺的空间中，不能有超过10粒0.5微米以上的粉尘。”张珽说，“对于新型纳米材料而言，为保证其本征性质，要求更加苛刻。”

为了给科研人员提供接近月球环境的实验条件，2014年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所同包信和院士、薛其坤院士团队合作，开始建设世界首个集材料生长、器件加工、测试分析于一体的重大科学装置——纳米真空互联实验站。

克服两大挑战完成建设

深入实验站内的科研区域，仿佛进入了电影中的未来世界——总长203米的银色超高真空管道纵横交错，将40台大型设备联接起来，磁性传输小车载着样品以每分钟3.2米的速度驶过真空管道内的轨道，并由管道外履带上的磁铁“导航”至各个设备节点。

“国外某真空装置和我们同期建设，不仅规模和复杂度远不如我们，真空度也低很多，这就意味着在他们那里材料很快就会变得‘不那么干净’。”实验站副主任崔义研究员介绍，为了达到超高真空环境，实验站通过改良管道材料、处理工艺和设置多级泵组等多种方式，设计并改造了设备和管道的联接方式，确保每一处的真空度保持均衡。

“建设中的另一个难点就是在保证真空性能的前提下，实现所有设备互联互通。”实验站副主任李坊森研究员说，大部分现成的设备无法满足需求，要靠科研人员自己动手改造。

“科研人员巧妙设计样品架，并利用磁力远程操作和运输，将样品通过机械手送进管道。每段管道内有两辆带磁铁的小车，由智慧中控台自动化控制。而用于检测材料性能的设备则分布在真空管道主轴线的两旁。”指着散发出金属光泽的机械手和缓慢移动的小车，李坊森告诉记者，“就这样，我们实现了所有设备的互联互通。”

今年2月，实验站二期建设项目成功验收。“目前，实验站的真空度优于2×10-8帕斯卡，接近月球的环境，这为材料争取了更长的‘保真期’，突破了长期以来阻碍纳米材料基础研究和技术开发的瓶颈。”崔义告诉记者。

成为纳米材料研究“聚宝盆”

科研基础设施是纳米科技创新的基石。在张珽看来，实验站已经成为纳米材料和器件研究的“聚宝盆”，更是人才与成果集聚的平台。

记者见到俞凤至时，他正在实验站内进行新一代存储器材料的开发。作为洛玛瑞芯片技术常州有限公司的研发人员，俞凤至和同事已经在这里驻点实验3年，目前进展顺利，预计今年年底完成第一批流片。此前，国外也有同行尝试研发这种新型存储器，但效果却不尽理想，主要原因就是无法在真空环境下实现不同晶体材料的连续生长。

除了接待国内的科研工作者，国外也有不少科研人员将目光投向了实验站。

2021年，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队找到实验站，他们在研发锌离子电池时遇到难题，希望能借助实验站的力量完成研究“最后一棒”。该团队成员罗丹博士介绍，锌负极的表面结构小到纳米级别，即使倍数最大的光学显微镜也无法看清。此外，负极表面结构极易与空气发生反应，导致结构发生变化。

“找遍全球，只有这里才能满足实验需求。”罗丹坦言。通过与实验站深度合作，他们最终获得各类表征数据完全吻合的实验结论，相关成果发表在《先进材料》上，引发全球关注。

目前，实验站接待的科研用户已超过220家，包括清华大学、北京大学、中国科学技术大学等，在能源材料、低维材料、高温超导材料等领域取得了一批重要成果。

“纳米真空互联实验站提供了一种变革性的技术路线，有利于突破阻碍纳米领域内基础研究和技术开发进一步发展的瓶颈，提升我国重大仪器设备的研制水平。”展望未来，张珽充满信心地说，“我们期待实验站这一重大科学装置产出更多优秀成果！”