原子制造中的物質(zhì)間相互作用基礎(chǔ)知識(shí)解析

1 引 言

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，人類文明的發(fā)展進(jìn)程可根據(jù)利用的主要材料種類分成幾個(gè)階段，如石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鋼鐵時(shí)代等。持續(xù)變革與不斷創(chuàng)新的制造和加工手段是支撐這些材料從人類歷史長(zhǎng)河中脫穎而出的技術(shù)基礎(chǔ)，造就了多個(gè)科技、軍事、經(jīng)濟(jì)和文化的黃金時(shí)代，甚至改變了人類社會(huì)的組織形態(tài)。鋼鐵冶煉技術(shù)在19—20世紀(jì)之交時(shí)獲得重要突破，加之兩次世界大戰(zhàn)的巨大需求，20世紀(jì)上半葉是當(dāng)之無愧的鋼鐵時(shí)代。盡管鋼鐵冶煉和加工技術(shù)仍在不斷推陳出新，鋼鐵產(chǎn)量仍然是評(píng)價(jià)綜合國(guó)力的重要指標(biāo)，但這些都無法阻擋人類快速進(jìn)入硅時(shí)代的腳步。2022年12月是人類發(fā)明晶體管75周年，在這75年間，晶體管的主流材料由鍺換成硅；由二極管、三極管演化成鰭式場(chǎng)效應(yīng)管、全環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)管以及規(guī)劃中的互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)管；而它的導(dǎo)電溝道則從一塊看起來并不完美、包含阿伏伽德羅常數(shù)量級(jí)(1023)個(gè)原子的塊狀晶體持續(xù)縮小到了長(zhǎng)度僅約10 nm(等效2—3 nm平面工藝)、不足100個(gè)原子長(zhǎng)度的納米片[1，2]。這是體現(xiàn)人類目前材料制造和加工能力極限的巔峰之作，也對(duì)今后的技術(shù)發(fā)展提出了巨大挑戰(zhàn)——如何制造和加工由幾十個(gè)、幾個(gè)甚至一個(gè)原子所組成的物質(zhì)？簡(jiǎn)言之，如何高效地控制一個(gè)、幾個(gè)或者幾十個(gè)原子，創(chuàng)制新材料和新結(jié)構(gòu)，構(gòu)成合格的“工業(yè)品”，進(jìn)而進(jìn)行“原子制造”是人類工業(yè)技術(shù)發(fā)展之路難以回避的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。澄清該問題有望為變革現(xiàn)有制造模式提供理論基礎(chǔ)，也極可能有助于改變當(dāng)前物質(zhì)科學(xué)基礎(chǔ)研究的范式。原子物質(zhì)間相互作用的基礎(chǔ)則是澄清該問題的基本出發(fā)點(diǎn)，也正是本文嘗試與讀者討論的核心內(nèi)容。

在進(jìn)入更細(xì)節(jié)的討論之前，有必要大致界定本文所討論的“原子制造”的范疇。從目前理解看，原子制造至少包括兩方面含義。一則是“自上而下”的“原子級(jí)制造”，從米、毫米、微米、納米到原子級(jí)一路走來，它是高精度材料制備和加工的自然延續(xù)。目前，半導(dǎo)體工業(yè)可通過物理和化學(xué)方法(化學(xué)機(jī)械拋光)拋光出表面粗糙度(Sa)小于0.5 nm(1—2個(gè)原子層厚度)的硅晶圓，并通過極紫外光刻技術(shù)，結(jié)合其他物理、化學(xué)手段實(shí)現(xiàn)10 nm橫向精度的大規(guī)模工業(yè)加工；在實(shí)驗(yàn)室條件下，甚至可以在50 μm見方的區(qū)域內(nèi)獲得粗糙度僅為0.067 nm的表面[3]。如何在其他材料的加工制造中獲得如此小的表面粗糙度，或在增材或減材制造中獲得原子級(jí)的制造精度都是原子級(jí)制造所面臨的挑戰(zhàn)。

另一方面，有別于原子級(jí)制造，原子制造更具顛覆性的含義是：一種保持“單原子特征”且“自下而上”地通過控制原子行為、創(chuàng)制新材料、構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)和器件、實(shí)現(xiàn)新功能并展現(xiàn)宏觀效果的制造方式。這樣的概念可能過于抽象，舉一個(gè)不太嚴(yán)格的、僅限于生命體的例子——基因工程就具有這種“原子制造”的大多數(shù)特征。就極端情況而言，研究者可以通過敲除或引入個(gè)別關(guān)鍵基因，改變表達(dá)該關(guān)鍵基因后得到的多肽中的幾個(gè)氨基酸序列，經(jīng)折疊后獲得新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并展現(xiàn)出與原始蛋白截然不同的功能，進(jìn)而影響生命體的性狀和行為[4，5]。本文關(guān)心的原子制造則是預(yù)期在更多的材料體系中，更廣的尺度范圍內(nèi)，更寬的溫度區(qū)間內(nèi)，在更多的應(yīng)用場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。

本文擬基于筆者當(dāng)前的粗淺理解，從如何控制單個(gè)原子，到創(chuàng)制新材料，構(gòu)筑超原子新結(jié)構(gòu)，提出機(jī)遇與挑戰(zhàn)等幾個(gè)方面介紹原子制造中可能涉及的物質(zhì)間相互作用規(guī)律及其在原子制造中的可能應(yīng)用。

2 有效控制單個(gè)原子

當(dāng)幾位羽毛球愛好者在討論用什么樣的手法(擊球力度、角度等)可以擊打出何種回球時(shí)，他們已經(jīng)假設(shè)作用力可以直接作用于羽毛球上，從而(在他們想象中)“精確地”控制羽毛球的含時(shí)位置變化(r(t))規(guī)律(圖1(a))。然而在原子尺度上，宏觀經(jīng)典概念“力”無法直接施加在單個(gè)原子上，從而像擊打羽毛球一樣“精確控制”單個(gè)原子的含時(shí)位置變化情況?？刂茊蝹€(gè)原子好似在對(duì)抗熱運(yùn)動(dòng)(漲落)，似乎有違背統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的風(fēng)險(xiǎn)。但實(shí)際上，研究者可以構(gòu)造一個(gè)至少包含一個(gè)勢(shì)阱的勢(shì)能面，利用而不是對(duì)抗微觀統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，使原子位置的期望值置于該勢(shì)阱中(圖1(b))。這便是控制單個(gè)微觀原子的基本思想，各類控制方式的差異則主要體現(xiàn)在不同的勢(shì)能面(勢(shì)阱)構(gòu)筑方式上，例如構(gòu)筑人工光、磁、電(子)勢(shì)阱(圖1(c))[6，7]，利用固體表面的原子周期性勢(shì)阱等(圖1(d))[8]。可見，組成材料的原子核—外層電子、不同原子的外層電子之間相應(yīng)作用，及其在人工施加的光、電、磁、熱和機(jī)械等外場(chǎng)下的響應(yīng)行為共同構(gòu)筑了該體系的勢(shì)能面。本章將圍繞這一思路展開介紹。

圖1 (a)羽毛球的路徑控制；(b)人為構(gòu)造勢(shì)能面控制單個(gè)原子；(c)光場(chǎng)構(gòu)造勢(shì)阱控制原子[6]；(d)固體表面勢(shì)阱控制原子[8]

2.1 “所見即所得”的控制方式：掃描探針和(掃描)透射電子顯微鏡

顯微鏡是人類探索微觀世界的核心工具之一。人類在16—17世紀(jì)之交洞悉了光學(xué)放大原理。隨后，羅伯特·胡克和范·列文虎克等人在三百多年前就利用自制顯微鏡窺探了微生物的世界。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在1970年代已經(jīng)可以使用透射式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行成像，1981瑞士IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)并對(duì)硅表面原子進(jìn)行了成像。這兩項(xiàng)技術(shù)在1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，巧合的是，同年的化學(xué)獎(jiǎng)授予了開發(fā)間接原子成像技術(shù)研究基本化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程的三位科學(xué)家。接下來我們介紹利用上述兩種顯微鏡控制原子的基本思想和實(shí)例。

2.1.1 掃描探針顯微鏡

現(xiàn)代掃描隧道顯微鏡可以輕松實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1 ?的針尖空間定位精度，利用頭部?jī)H有一個(gè)原子的針尖逼近擬被操縱原子，利用針尖原子自身提供的吸引或排斥勢(shì)場(chǎng)(圖2(a))、給針尖施加電壓后在針尖和被操縱原子間形成的電場(chǎng)(圖2(b))，或經(jīng)由針尖注入被操縱原子電荷(圖2(c))等方式改變?cè)撛痈浇膭?shì)能面結(jié)構(gòu)，對(duì)被操縱原子進(jìn)行橫向推、拉，縱向的抓起—移動(dòng)—放下，和誘導(dǎo)單個(gè)化學(xué)鍵斷裂或形成，或改變單個(gè)原子或者原子基團(tuán)的電子態(tài)等原子操縱。1990年，美國(guó)IBM Almaden實(shí)驗(yàn)室操縱Xe原子構(gòu)筑了“IBM”字樣[9]；2013年，該實(shí)驗(yàn)室再次利用原子操縱技術(shù)，“拍攝”了由數(shù)十個(gè)原子出演的、目前世界上最小的定格動(dòng)畫電影“A boy and his atom”(圖2(d))[10]。

圖2 (a)—(c)STM操縱原子的三種模式；(d)STM針尖操縱原子構(gòu)成的定格動(dòng)畫截圖[10]；(e)STM針尖通過注入電子誘導(dǎo)CoPc分子C-H斷鍵示意圖[12]；(f)MnPc中心吸附和脫附氫原子及對(duì)應(yīng)近藤效應(yīng)關(guān)/開的可逆調(diào)控示意圖[13，14]；(g)左邊為Si(111)表面物理吸附的CH3Br示意圖，右邊為光解或電子轟擊后Br在Si(111)表面化學(xué)吸附示意圖[15，16]

由針尖注入電荷并控制化學(xué)鍵斷裂或形成的工作更加豐富。例如，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理開放實(shí)驗(yàn)室龐世瑾研究組在1995年前后利用STM針尖在Si(111)表面上書寫了“中國(guó)”字樣[11]。2005年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)侯建國(guó)研究組通過STM針尖向吸附在Au(111)表面的酞菁鈷(CoPc)分子注入電子，誘導(dǎo)C-H共價(jià)鍵斷裂，并隨即形成C-Au化學(xué)鍵(圖2(e))[12]。2013年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所高鴻鈞研究組通過STM針尖控制酞菁錳(MnPc)分子中心氫原子的吸附和脫附，實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子自旋態(tài)的調(diào)控(圖2(f))[13，14]。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(1986)獲得者，加拿大多倫多大學(xué)John Polanyi也開展了大量利用STM針尖注入電子，誘導(dǎo)單個(gè)化學(xué)鍵斷裂和形成的實(shí)驗(yàn)工作，如Si(111)表面物理吸附的CH3Br自組裝結(jié)構(gòu)在STM針尖誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)C-Br斷鍵和Br-Si成鍵(圖2(g))[15，16]。利用AFM同樣可以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的原子操縱。感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[17]以獲得更詳細(xì)的信息。

2.1.2 掃描透射電子顯微鏡

掃描透射電子顯微鏡(STEM)是透射電子顯微鏡(TEM)的一種特殊工作模式，將TEM中的平行電子束匯聚在樣品表面一點(diǎn)，通過逐點(diǎn)掃描的方式獲得被樣品散射電子的相關(guān)信息。相較于STM，通過STEM進(jìn)行的單原子操縱具有操縱速度更快(幾十秒)、操作溫度更高(室溫)、操作體系更廣等優(yōu)點(diǎn)[18]。STEM的單原子操縱過程主要有兩種機(jī)制，即彈性散射主導(dǎo)的動(dòng)量傳遞和非彈性散射導(dǎo)致的能量傳遞[19]。例如在彈性散射機(jī)制主導(dǎo)的石墨烯碳原子敲除過程中，加速電壓為100 keV的電子束傳遞動(dòng)量給被操縱碳原子，使得碳原子獲得大于完全擺脫原有勢(shì)阱束縛的能量，被敲除(knock-on)而脫離石墨烯，并在其原有位置產(chǎn)生單原子空位(圖3(a))[18]。在具有略低加速電壓的電子束作用下，雖然碳原子無法獲得足夠的能量被敲除，但運(yùn)動(dòng)中的碳原子可以帶動(dòng)臨近原子運(yùn)動(dòng)，改變附近的勢(shì)能面分布，而互換其與臨近硅原子的位置(圖3(b))[20]。在類似條件下，原子還可以進(jìn)行表面擴(kuò)散或Stone—Wales轉(zhuǎn)換等其他形式的運(yùn)動(dòng)。

圖3 (a)石墨烯中C空位形成的示意圖[18]；(b)石墨烯中操控Si，C原子位置互換的示意圖，其中黃色小球是Si原子[20]；(c)MoSe2中Se空位形成示意圖[21]；(d)MoS2中非彈性散射主導(dǎo)的S空位形成的示意圖[22]，其中藍(lán)色與黃色球分別對(duì)應(yīng)Mo與S原子

另一方面，非彈性散射過程則會(huì)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移：(1)使得被操縱原子中的價(jià)電子處于激發(fā)態(tài)；(2)在該原子中產(chǎn)生芯空穴(core-hole)，使該原子帶正電；(3)外界轉(zhuǎn)移芯空穴屏蔽電子使其原最低未占據(jù)態(tài)被填充。這些過程均可改變被操縱原子的勢(shì)能面，使其處于非穩(wěn)態(tài)，隨即弛豫到新的平衡位置。例如，在MoSe2[21]、MoS2[22]等材料中，即使電子束的加速電壓顯著低于敲除閾值，材料中依然逐漸產(chǎn)生了硫族元素原子空位，預(yù)示非彈性散射機(jī)制在該過程起主要作用(圖3(c)，(d))。

2.2 “隨心所欲”的控制方式：光、磁、電(子)晶格

利用外場(chǎng)與原子間的相互作用，構(gòu)筑勢(shì)阱、束縛原子是調(diào)控方式中最直接的原子操縱手段之一。本節(jié)擬介紹幾個(gè)典型的例子，讀者可參考相關(guān)綜述文章[6，22—24]了解更多細(xì)節(jié)。

2.2.1 光晶格

光晶格是指采用相向傳播的相干激光干涉形成的周期性光學(xué)勢(shì)阱。原子由激光的交變電場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生極化，利用交流斯塔克效應(yīng)產(chǎn)生的光偶極作用將處于極低溫度的冷原子束縛在周期性光場(chǎng)中(圖4(a))[6]。光晶格的晶格常數(shù)一般在光學(xué)波長(zhǎng)與半波長(zhǎng)之間(微米量級(jí))，每個(gè)方向可達(dá)100個(gè)格點(diǎn)左右(百微米量級(jí))。通過控制晶格的幾何形狀、維度、無序度、深度和對(duì)稱性，可以調(diào)控光晶格出現(xiàn)或消失[25]，獲得多種晶格對(duì)稱性[26]。此外，量子氣體顯微鏡可以對(duì)光學(xué)晶格中的單個(gè)原子進(jìn)行熒光成像，實(shí)現(xiàn)單原子觀測(cè)(圖4(b))[27]，翻轉(zhuǎn)指定位置的一個(gè)或兩個(gè)原子的自旋態(tài)，實(shí)現(xiàn)精確的單原子控制(圖4(c))[28]。

圖4 光晶格的構(gòu)建與新奇物理現(xiàn)象 (a)相干激光產(chǎn)生周期性光學(xué)勢(shì)阱[6]；(b)在哈伯德區(qū)光晶格的單個(gè)位點(diǎn)上成功實(shí)現(xiàn)了單原子觀測(cè)[27]；(c)精準(zhǔn)控制并測(cè)量一維鏈中兩個(gè)原子的自旋翻轉(zhuǎn)[28]；(d)基于磁性薄膜的圖案產(chǎn)生正方或三角的二維磁晶格[29]，其中上面兩圖藍(lán)紫色區(qū)域代表磁性薄膜，其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁勢(shì)如下面兩圖所示，藍(lán)紫色部分對(duì)應(yīng)勢(shì)場(chǎng)極小值；(e)激光冷卻束縛9Be+形成二維三角庫(kù)侖晶格[32]

2.2.2 磁晶格與離子阱

利用原子與磁場(chǎng)的磁偶極相互作用，采用圖形化的磁性薄膜形成的磁性微阱陣列可以實(shí)現(xiàn)冷原子的磁阱或磁光阱陣列，形成原子磁晶格或磁光晶格[23]。磁晶格周期可達(dá)10 μm量級(jí)，其在設(shè)計(jì)上更加靈活，原則上可以用幾乎任意的構(gòu)型和晶格間距定制磁晶格，不受光學(xué)波長(zhǎng)的限制，僅受到磁性薄膜材料和圖案尺寸的限制(圖4(d))[29]。磁晶格中可以選擇性捕獲特定態(tài)的原子，基于射頻光譜可以實(shí)現(xiàn)原位捕獲的原子表征。

離子阱則是使用射頻電場(chǎng)和靜電場(chǎng)束縛離子，或者使用靜磁場(chǎng)和電場(chǎng)束縛電子，以操控單個(gè)帶電粒子[24]。目前，研究者可以束縛離子形成零維(單、雙離子)[30]、一維離子鏈[31]、二維離子晶體[32]，展現(xiàn)出單體、高精度的可控性。例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院束縛9Be+構(gòu)筑了包含300個(gè)自旋的二維庫(kù)侖晶格(圖4(e))。

2.3 “旁敲側(cè)擊”的間接控制方式：自組裝和定向化學(xué)過程

除了利用外場(chǎng)，研究者還可以在材料中人工引入單個(gè)原子，利用原子間直接或間接(以其他粒子為媒介)相互作用，以原子精度改變材料的局域勢(shì)能面。例如在Si(100)表面上逐原子生長(zhǎng)錳單原子納米線時(shí)，第一個(gè)吸附的錳原子改變了其吸附位點(diǎn)附近的勢(shì)能面，誘導(dǎo)出對(duì)后繼Mn原子的各向異性吸引勢(shì)，以自組裝方式構(gòu)筑錳單原子鏈(圖5(a))[33]。在Si(100)表面上吸附的CH3Cl分子可自發(fā)解離為CH3基團(tuán)與Cl離子，并各自吸附在硅二聚體的兩個(gè)原子上，通過表面電荷轉(zhuǎn)移調(diào)控局域勢(shì)能面，誘導(dǎo)解離隨后進(jìn)入的CH3Cl分子(圖5(b))，構(gòu)筑一維分子鏈(圖5(c))[34]。

圖5 改變材料勢(shì)能面以控制原子 (a)Si(100)表面的Mn單原子鏈的自組裝，圖中展示了模擬(上)與實(shí)驗(yàn)(下)的STM圖像，中間亮線對(duì)應(yīng)Mn單原子鏈[33]；(b)Si(100)表面的CH3Cl分子先解離后成鏈的過程示意圖；(c)一維CH3Cl分子鏈的STM圖像[34]，其中DB是懸掛鍵；(d)化學(xué)反應(yīng)路徑的三維勢(shì)能面[35] 物理學(xué)家通常關(guān)注勢(shì)能面的勢(shì)阱分布，而化學(xué)家則關(guān)心勢(shì)阱之間可以通過哪些路徑進(jìn)行連接，如何控制化學(xué)反應(yīng)路徑，這同樣也是對(duì)原子的操控問題(圖5(d))[35，36]。如果需要高反應(yīng)活性，那么反應(yīng)物勢(shì)阱附近之間需要“四通八達(dá)”，可由多條勢(shì)壘相當(dāng)?shù)穆窂窖莼疗渌麆?shì)阱(反應(yīng)產(chǎn)物)；如果需要反應(yīng)選擇性高，則反應(yīng)物勢(shì)阱需要僅有一條勢(shì)壘顯著低的路徑連接至反應(yīng)產(chǎn)物勢(shì)阱?？梢?，化學(xué)反應(yīng)中的原子操控手段與物理原子操控方法的基本思想是相通的，即通過催化劑、溫度、壓力、濃度等外界因素，調(diào)控反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物所在的勢(shì)能面形狀。

3控制原子創(chuàng)制新材料

本章主要關(guān)注由原子或原子團(tuán)簇構(gòu)成的凝聚態(tài)物質(zhì)，就不再贅述2.2中已介紹的一些利用人工外場(chǎng)制備原子或離子晶格的例子了。原子之間的排列和鍵合受到諸多因素的影響，如原子的尺寸、化學(xué)性質(zhì)(易得失電子)、連結(jié)原子的化學(xué)鍵類型等，?？捎刹煌脑优帕蟹绞絽^(qū)分不同種材料。材料生長(zhǎng)的本質(zhì)就是把原子按照特定的方式組合起來，控制最終組合結(jié)果的無外乎熱力學(xué)因素和動(dòng)力學(xué)因素。在近平衡態(tài)的材料生長(zhǎng)過程中，外場(chǎng)可以改變特定原子所處的勢(shì)能面形狀，從而使該原子按照滿足自由能極小(可以是局域極小值，通常不是全局極小值)的方式在材料中排列，創(chuàng)制一些在該外場(chǎng)下局部穩(wěn)定、在常溫常壓下整體處于亞穩(wěn)態(tài)的新材料。另一方面，在由生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)控制且遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)的過程中，也可利用特殊的動(dòng)力學(xué)路徑創(chuàng)制一些在常溫常壓下處于亞穩(wěn)態(tài)的新材料。接下來將分別舉例介紹這兩種創(chuàng)制新材料的手段。

3.1 改變勢(shì)能面的方式：表面和界面能

在材料的生長(zhǎng)、制備過程中，滿足生長(zhǎng)界面能量最低要求的原子結(jié)構(gòu)不一定同時(shí)滿足材料全局能量最低的要求，這種潛在的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為調(diào)控材料結(jié)構(gòu)、創(chuàng)制新材料提供了可能性。低維體系的原子總數(shù)迅速減少，滿足邊界、表面和界面處能量最低要求的權(quán)重越來越高，本小節(jié)擬通過4個(gè)例子，介紹該策略在新材料創(chuàng)制中的作用。

3.1.1 穩(wěn)定的貴金屬團(tuán)簇——零維體系的“表面”文章

因在催化功能單元領(lǐng)域的巨大潛力，少原子團(tuán)簇的制備和性質(zhì)研究備受關(guān)注。以[Al13]-和[Al23]-為代表的超原子團(tuán)簇具有與原子軌道相似對(duì)稱性的整體電子波函數(shù)，展現(xiàn)出超常的穩(wěn)定性[37，38]。盡管如此，因含有大量低配位數(shù)原子，其能量仍顯著高于塊體或薄膜材料，有明顯團(tuán)聚趨勢(shì)。使用表面活性劑(配體)降低團(tuán)簇的表面能是團(tuán)簇化學(xué)領(lǐng)域穩(wěn)定團(tuán)簇的常用方法[39]。

在表面催化領(lǐng)域，研究者在超高真空環(huán)境下，利用氧化物表面的缺陷促使在其表面運(yùn)動(dòng)的金屬原子成核，又利用氧化物表面與金屬團(tuán)簇顯著的晶格失配和其間具有顯著方向性的極化共價(jià)鍵限制金屬團(tuán)簇長(zhǎng)大，制備了少原子金屬團(tuán)簇[40，41]。然而，這一機(jī)制在沒有晶格失配且由金屬鍵結(jié)合的同種單質(zhì)金屬表面卻失效了。研究者發(fā)現(xiàn)，相較于高配位數(shù)原子，一氧化碳分子(CO)與低配位數(shù)的金屬原子的結(jié)合更強(qiáng)，可以利用CO吸附改變少原子金屬團(tuán)簇邊緣和體相能量的相對(duì)差異，從而調(diào)控少原子團(tuán)簇的尺寸和形狀[42]?？梢詤⒖嘉墨I(xiàn)[43]和本專題其他文章獲得更詳細(xì)內(nèi)容。

3.1.2 平面石墨烯螺旋——從一維手性到二維轉(zhuǎn)角的原子剪紙折紙術(shù)

以石墨烯為代表的二維轉(zhuǎn)角材料是當(dāng)前的熱點(diǎn)材料之一。然而，直接生長(zhǎng)特定轉(zhuǎn)角雙、多層材料仍是該領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)之一。上海科技大學(xué)王竹君、深圳理工大學(xué)丁峰、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Marc Willinger等和我們組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用鉑單晶表面單層石墨烯褶皺的手性和在原子尺度的折紙—剪紙術(shù)實(shí)現(xiàn)了手性角度到層間轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化，在平面上制備了肉眼可見的石墨烯雙(四)螺旋結(jié)構(gòu)[44]。他們通過誘導(dǎo)Pt表面的反常晶界生長(zhǎng)，使大量臺(tái)階表面重構(gòu)為低指數(shù)表面(圖6(a-i)，(a-ii))，在等效壓應(yīng)力的作用下，其上覆蓋的單層石墨烯產(chǎn)生褶皺、傾倒(折紙術(shù)，圖(a-ii))，并被撕裂(剪紙術(shù)，圖(a-iii))，得到具有特定手性角度的石墨烯錐或管狀結(jié)構(gòu)；在氫氣作用下，該結(jié)構(gòu)邊緣被“撕裂”，得到四個(gè)(端點(diǎn)為兩個(gè))手性石墨烯邊界(剪紙術(shù)，圖(a-iv))。隨后，碳原子沿著暴露的手性邊界繼續(xù)層狀生長(zhǎng)，獲得了微米甚至毫米尺寸的、具有特定且固定層間轉(zhuǎn)角的單個(gè)石墨烯雙(四)螺旋結(jié)構(gòu)(圖6(b)，(c))，而來自鄰近螺旋的石墨烯層相遇形成轉(zhuǎn)角石墨烯雙層(圖6(d))。盡管具有轉(zhuǎn)角的相鄰兩層石墨烯之間沒有滿足全局最優(yōu)化的要求，但不引入缺陷結(jié)構(gòu)并保持六角晶格持續(xù)外延生長(zhǎng)顯著滿足了局域能量最小化的要求。這是典型的利用單原子局域特征，通過滿足局域能量最優(yōu)化要求，創(chuàng)制全局亞穩(wěn)的新材料結(jié)構(gòu)并獲得新物性的例子，具備了一定的原子制造特征。

圖6 石墨烯折紙與剪紙術(shù)[44](a)紙張模型顯示了襯底表面重構(gòu)帶來的褶皺，褶皺折疊和破裂層折疊到不同側(cè)面；(b)碳原子沿著暴露的手性邊界(i)繼續(xù)層狀生長(zhǎng)(ii)，逐漸生長(zhǎng)為石墨烯雙(四)螺旋結(jié)構(gòu)(iii)；(c)石墨烯螺旋的原子力顯微鏡圖像；(d)石墨烯螺旋相遇形成轉(zhuǎn)角石墨烯的摩爾條紋的TEM圖像，右下角為其快速傅里葉(FFT)圖像

3.1.3 高指數(shù)面單晶銅箔——二維界面的魅力

Cu(111)為銅的最穩(wěn)定表面，可由對(duì)磁控濺射銅多晶薄膜進(jìn)行可控退火后得到，此前的手段已可制備分米級(jí)Cu(111)單晶薄膜，然而制備亞穩(wěn)的銅高指數(shù)單晶薄膜仍極具挑戰(zhàn)。北京大學(xué)劉開輝研究組[45]和劉忠范研究組[46]分別利用銅高指數(shù)面模板，在模板和銅箔之間形成溫度梯度，促使銅箔中已形成流體的銅原子在固態(tài)高指數(shù)模板表面結(jié)晶，利用局域熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)成功制備出高指數(shù)銅箔。雖然高指數(shù)銅箔的表面能顯著高于Cu(111)表面的表面能，但該表面能差異仍小于形成高指數(shù)面和Cu(111)面界面的能量代價(jià)，滿足了界面局部熱力學(xué)能量最低的要求。感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[47]，以獲得更詳細(xì)的信息。

3.1.4 CrCl3納米線——邊界屏蔽決定材料維度

利用3.1.1節(jié)中相似的思想，武漢大學(xué)張晨棟研究組和筆者研究組發(fā)現(xiàn)襯底的電荷屏蔽(電子轉(zhuǎn)移)可以顯著穩(wěn)定CrCl3一維和二維結(jié)構(gòu)的邊界，不同襯底的電荷屏蔽差異則可改變邊界Cl原子的被屏蔽程度，調(diào)控其一維和二維結(jié)構(gòu)邊界單元與內(nèi)部單元的相對(duì)穩(wěn)定性。他們利用NbSe2和石墨烯對(duì)初始成核邊緣單元的屏蔽能力差異，調(diào)控了CrCl3材料的維度，得到了此前未被報(bào)道的CrCl3一維反鐵磁自旋鏈(圖7(a)—(c))[48]。

圖7 襯底屏蔽與可控碰撞制備新奇一維材料 (a)NbSe2襯底上一維相和二維相CrCl3共存的STM圖[48]，其中黃色線為一維相，大面積黃色片為二維相，右上角為NbSe2襯底的STM圖像；(b)一維單鏈CrCl3在NbSe2襯底上的自旋極化STM圖像，從上到下分別對(duì)應(yīng)STM針尖自旋極化向上、向下與平均的圖像；(c)二維CrCl3在雙層石墨烯上的原子分辨圖；MoS2團(tuán)簇撞擊單層石墨烯襯底制備獲得MoS2納米帶[49]，(d)圖為MoS2團(tuán)簇撞擊石墨烯的流程圖，(e)圖為制備獲得MoS2納米帶的STEM圖像

3.2 遠(yuǎn)離平衡態(tài)的方式——可控碰撞 3.2.1 從團(tuán)簇到納米帶：走向室溫原子制造

利用受控分子束相互碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典模型體系之一。原子團(tuán)簇間的受控碰撞也可能產(chǎn)生難以使用常規(guī)方法合成的新材料，或使用代價(jià)更低的方法合成已知材料。通過調(diào)節(jié)加速或減速電場(chǎng)大小，研究者可以把團(tuán)簇的動(dòng)能控制在0.1 eV的精度內(nèi)，使其受控地與襯底表面碰撞，動(dòng)能經(jīng)由轉(zhuǎn)化則可以可控地為原子在表面重組提供能量，而無需額外加熱提供能量?；谶@一方法，德國(guó)馬普固體研究所和北京理工大學(xué)等單位使MoS2團(tuán)簇撞擊單層石墨烯襯底(圖7(d))，在室溫下制備獲得了此前未被報(bào)道的MoS2納米帶(圖7(e))[49]。盡管碰撞過程可能涉及復(fù)雜的彈性和非彈性碰撞過程和相應(yīng)的能量傳遞機(jī)制，但這一嘗試是利用原子團(tuán)簇，在室溫下創(chuàng)制新材料并最終走向室溫原子制造的重要一步。

3.2.2 電子和離子輻照

2.1.2節(jié)提到聚焦電子束可以通過彈性或者非彈性散射控制單個(gè)原子的行為。因此，可控的掃描聚焦電子束(STEM模式)原則上可以在單原子精度上、在可觀的尺度下(約10 nm2)制造新材料，而平行電子束輻照(TEM模式)則可能創(chuàng)制更大尺度的新材料。例如，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武、南方科技大學(xué)林君浩、浙江大學(xué)金傳洪、香港理工大學(xué)趙炯、東南大學(xué)孫立濤等研究組分別利用上述方法構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)新穎的單層Mo薄膜[50]，單層Pd2Se3[51]，一維Mo5S4納米帶[52]等，誘導(dǎo)產(chǎn)生了ReSe2[53]和In2Se3結(jié)構(gòu)相變[54]等(圖8(a)—(c))。

圖8利用電子束或光激發(fā)制造新材料(a)Pd2Se3單層的高分辨STEM圖與結(jié)構(gòu)示意圖[51]，紅色虛線框標(biāo)識(shí)了Pd2Se3原胞；(b)Mo5S4的高分辨TEM圖像和模擬的TEM圖像，右側(cè)為結(jié)構(gòu)示意圖[52]；(c)α-In2Se3及β′-In2Se3界面的高分辨高角度環(huán)形暗場(chǎng)圖像[54]；(d)激光誘導(dǎo)2H相MoTe2和1T′相MoTe2結(jié)構(gòu)相變示意圖[55]，從左到右對(duì)應(yīng)激光照射下MoTe2逐漸發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

使用光激發(fā)同樣可以改變材料的電子態(tài)密度分布，使其原子結(jié)構(gòu)在電子激發(fā)態(tài)下弛豫獲得新材料相，如使用激光誘導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)2H-MoTe2到1T′相MoTe2的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(圖8(d))[55]。此外，可控離子注入也是創(chuàng)制新材料的重要手段之一，利用電場(chǎng)加速帶電離子撞擊材料表面，以期實(shí)現(xiàn)原子尺度精準(zhǔn)的人工結(jié)構(gòu)構(gòu)筑。目前，實(shí)現(xiàn)單離子源、優(yōu)化注入半徑、控制注入深度的原理和手段都是正在探索的關(guān)鍵問題。另外，清華大學(xué)于浦等利用電化學(xué)方法，控制了離子在晶體中的插入和析出，實(shí)現(xiàn)了氧化物SrCoO2.5和SrCoO3-δ以及以前尚未發(fā)現(xiàn)的新相HSrCoO2.5之間的三相可逆結(jié)構(gòu)相變[56]。

3.3 人工微結(jié)構(gòu)創(chuàng)制

利用STM的單原子操縱技術(shù)，研究者還可以在表面構(gòu)筑特定人工量子結(jié)構(gòu)，以研究特定結(jié)構(gòu)下的新奇量子物態(tài)，或?qū)崿F(xiàn)信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算等功能。如在Cu(111)表面用CO分子構(gòu)筑蜂巢[57]、Kagome[58]、Lieb[59]、Kekulé[60]、準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)[61]和分型結(jié)構(gòu)[62]等多種對(duì)稱性的二維電子晶格和研究相應(yīng)的拓?fù)鋺B(tài)調(diào)控。澳大利亞新南威爾士大學(xué)利用單原子刻蝕方法在Si(001)表面實(shí)現(xiàn)了STM針尖輔助定位的可控P原子注入(圖9(a))，構(gòu)筑了原子級(jí)量子模擬機(jī)原型(圖9(b))[63]，是目前具有最小核心功能單元的原子器件之一?；赟TM操控，研究者實(shí)現(xiàn)了操作規(guī)模達(dá)到104原子的千字節(jié)可復(fù)寫原子存儲(chǔ)器(圖9(c))[64]。感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[65]以獲得更全面的內(nèi)容。合成生物學(xué)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脫氧核糖核酸(DNA)序列進(jìn)行單個(gè)堿基的編輯[66]，控制精度極限可達(dá)到單個(gè)磷酸鏈單元的長(zhǎng)度(3 ?)，進(jìn)而具備創(chuàng)制人工多肽、人工蛋白和其他原子級(jí)結(jié)構(gòu)的初步能力[67]。

圖9 人工微結(jié)構(gòu)創(chuàng)制 (a)，(b)通過STM單原子刻蝕得到的摻雜單個(gè)P原子量子器件的機(jī)制與三維STM圖像[63]；(c)通過操縱5萬余原子實(shí)現(xiàn)的1016個(gè)字節(jié)(8128個(gè)比特)原子內(nèi)存的存儲(chǔ)器的STM圖像[64]

4 多而異之——超原子聚集體中的相互作用

組裝原子團(tuán)簇成簇聚集體，從而獲得新結(jié)構(gòu)和新物性，也是利用原子制造創(chuàng)制新材料的方式之一。例如美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)基于Au29(SAdm)19團(tuán)簇自組裝形成雙螺旋與四螺旋結(jié)構(gòu)(圖10(a)，(b))，實(shí)現(xiàn)了“人造DNA”[68]。本文后繼討論將推廣超原子概念，將其視為新材料的基本構(gòu)筑基元，甚至可以作為某種周期性出現(xiàn)的物性基元[69]。例如，給PbTiO3/SrTiO3超晶格施加脈沖激光，產(chǎn)生具有鐵彈、鐵電和極渦子的區(qū)域，成為超晶體的單元(圖10(c))[70，71]。多而異之(More is different)是安德森發(fā)表于1972年的一篇短文標(biāo)題[72]。該文提到盡管單個(gè)微觀粒子(如電子、原子)的運(yùn)動(dòng)都滿足一些基本規(guī)律，但在由多個(gè)這樣的粒子構(gòu)成的體系中，粒子間的復(fù)雜相互作用可能涌現(xiàn)出大量新奇現(xiàn)象(如對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的超導(dǎo)、手性等)和相應(yīng)的新穎物理規(guī)律[72]。本節(jié)將從超原子團(tuán)簇組裝體的簇間相互作用出發(fā)，介紹幾種超原子團(tuán)簇組裝體和他們展現(xiàn)出的新奇電子性質(zhì)。

圖10 超原子聚集體中的新奇物性 (a)，(b)Au29(SAdm)19團(tuán)簇自組裝形成雙螺旋結(jié)構(gòu)(a)與四螺旋結(jié)構(gòu)(b)[68]；(c)脈沖激光調(diào)控PbTiO3/SrTiO3超晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂需F彈、鐵電和極渦子區(qū)域的“超晶體”[70，71]

4.1 超原子團(tuán)簇的簇間相互作用

超原子團(tuán)簇組裝體的主要簇間相互作用可分為共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵相互作用兩大類，非共價(jià)鍵相互作用又包含靜電、范德瓦耳斯、氫鍵和鹵鍵等。在過去的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)了多種超原子團(tuán)簇的組裝機(jī)制，呈現(xiàn)出一些組裝結(jié)構(gòu)特有的集體行為，包括長(zhǎng)程磁有序[73]、非晶—晶體相變[74]、同時(shí)具有氧化和還原單元的高效催化劑[75]和特殊的光學(xué)超材料[76]等。不過，團(tuán)簇間的共價(jià)鍵可觀地改變了單個(gè)團(tuán)簇的本征特性，調(diào)控能量代價(jià)大；非共價(jià)鍵相互作用中的無方向性的離子鍵和較弱的氫鍵、鹵鍵等雖然調(diào)控代價(jià)不高，但物性可調(diào)的范圍有限。因此，如研究者在能隙小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的團(tuán)簇間發(fā)現(xiàn)一種構(gòu)型改變代價(jià)小但電子結(jié)構(gòu)變化大的簇間相互作用，則有望為創(chuàng)制新材料類型，發(fā)現(xiàn)涌現(xiàn)出的新奇物性提供新理論依據(jù)。

4.2 類共價(jià)準(zhǔn)鍵——新穎的簇間相互作用

最近，我們?cè)贑60[77]和一種立方籠狀超原子團(tuán)簇Au6Te12Se8(ATS)[78—80]中發(fā)現(xiàn)了簇間相互作用的跡象，且其由一種吸引和一種排斥相互作用競(jìng)爭(zhēng)形成。前者是由電子的量子漲落和關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致的長(zhǎng)程的弱方向性的色散吸引作用，與電子密度和極化率相關(guān)；后者是在前者吸引作用或外場(chǎng)作用下，非鍵電子軌道波函數(shù)強(qiáng)制靠近并發(fā)生交疊，而由泡利不相容原理導(dǎo)致的排斥作用，是短程的、具有方向性的，常伴隨著為降低排斥能量形成的電子軌道形變，如形成均(未)被電子占據(jù)的成鍵和反鍵態(tài)。這種簇間相互作用具有結(jié)構(gòu)調(diào)控能量代價(jià)小(0.1—0.5 eV量級(jí))，電子結(jié)構(gòu)變化顯著(1 eV量級(jí))和與共價(jià)鍵相似的電荷分布規(guī)律等特點(diǎn)，被稱為類共價(jià)準(zhǔn)鍵(covalent-like quasi-bonding)[81—84]，廣泛存在于二維材料層間相互作用和貴金屬—二維材料相互作用中。

4.3 超原子聚集體中涌現(xiàn)的電子態(tài)

C60是研究者最熟悉的籠狀超原子團(tuán)簇之一。2019年武漢大學(xué)豐敏研究組[77]等在黑磷襯底上沉積了C60團(tuán)簇，利用黑磷的溝槽結(jié)構(gòu)獲得了受壓應(yīng)力的單層C60薄膜。在類共價(jià)準(zhǔn)鍵作用下，C60的三個(gè)簡(jiǎn)并的最低未占據(jù)軌道之一發(fā)生顯著的簇間波函數(shù)交疊，形成未被電子占據(jù)的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，顯著展寬了其能帶。形成的成鍵態(tài)是主要分布在C60簇間的近自由電子態(tài)，使原在C60間由跳躍傳導(dǎo)的電子以能帶輸運(yùn)方式運(yùn)動(dòng)(圖11(a))。2021年華中科技大學(xué)翟天佑研究組等在P4Se3團(tuán)簇二維晶體中發(fā)現(xiàn)了類似由簇間波函數(shù)交疊形成的近自由電子態(tài)，獲得了較高的載流子遷移率(圖11(b))[85]。

圖11 超原子聚集體中的新奇物性 (a)BP襯底上C60單層的掃描隧道譜圖像，態(tài)密度在鋸齒與扶手椅方向均表現(xiàn)出近自由電子態(tài)特征[77]，右上角標(biāo)識(shí)出了C60分子的位置；(b)P4Se3團(tuán)簇二維晶體中的近自由電子態(tài)[85]，上圖展示了P4Se3團(tuán)簇二維晶體結(jié)構(gòu)，下圖為其在(001)面電荷密度投影；(c)ATS立方體單分子能級(jí)，其中HOMO和LUMO分別指最高占據(jù)分子軌道和最低未占據(jù)分子軌道；(d)ATS的能帶結(jié)構(gòu)，其中縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)相對(duì)于費(fèi)米能的能量；(e)ATS中的反極化金屬和電荷密度態(tài)示意圖[80]，圖中標(biāo)識(shí)了STM圖像與對(duì)應(yīng)的ATS結(jié)構(gòu) 盡管這些超原子團(tuán)簇間具有顯著的波函數(shù)交疊，但其均具有較大能隙——這也是穩(wěn)定團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的要求之一，難以呈現(xiàn)出金屬態(tài)或在費(fèi)米能級(jí)附近獲得高態(tài)密度，進(jìn)而涌現(xiàn)出強(qiáng)電子相互作用導(dǎo)致的新奇電子態(tài)。ATS團(tuán)簇則是例外，構(gòu)成其骨架的Te-Se和Te-Au等δ共價(jià)鍵打開了約3 eV的能隙，在能隙中部不足0.5 eV的能量范圍內(nèi)分布著主要由Te和Se貢獻(xiàn)的1個(gè)占據(jù)和5個(gè)未占據(jù)的前線π軌道(圖11(c))。2017年中國(guó)科學(xué)院物理研究所郭建剛等合成了該團(tuán)簇[78]，隨后在俄羅斯的天然礦物中被發(fā)現(xiàn)[79]。

與C60不同的是，ATS的6個(gè)前線軌道在其同類共價(jià)準(zhǔn)鍵形成的晶體中高度交疊，展現(xiàn)出強(qiáng)烈的色散或平帶，呈現(xiàn)出室溫金屬性，也是一種金基超導(dǎo)材料，還可能導(dǎo)致強(qiáng)電子相互作用(圖11(d))。最近，中國(guó)人民大學(xué)程志海等研究組[80]在該表面上發(fā)現(xiàn)了兩種低溫下因電子—電子相互作用導(dǎo)致的電荷序，即一種在120 K出現(xiàn)、沿著鏈間方向呈3倍周期的電荷密度波序，和一種約90 K出現(xiàn)、沿著鏈內(nèi)方向、破缺4重簡(jiǎn)并的Te-Te相互作用導(dǎo)致的反平行極化金屬態(tài)(圖11(e))。這些結(jié)果預(yù)示著結(jié)合能比共價(jià)鍵小一個(gè)數(shù)量級(jí)的類共價(jià)準(zhǔn)鍵也可以導(dǎo)致團(tuán)簇間顯著的電子相互作用，而涌現(xiàn)出新奇的關(guān)聯(lián)電子態(tài)。

5 前景和挑戰(zhàn)

原子制造的核心是原子，但目標(biāo)是制造。物質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)研究通常關(guān)注材料體系的可調(diào)性，畫一張復(fù)雜的相圖是家常便飯；而工業(yè)界則在考慮一致性和良率的問題，期望在任意條件下都能保持產(chǎn)品的一致性。雖然本文介紹了多種控制單個(gè)原子的方案和成功案例，也介紹了一些保持單原子特征而創(chuàng)制的新材料，但目前的這些方法與能保持一致性和提高良率的期許還相去甚遠(yuǎn)。這也為從理論上提出高均勻性、可重復(fù)、高效率的原子控制理論，促進(jìn)發(fā)展實(shí)時(shí)的、原位的原子級(jí)制備和同步觀測(cè)手段，探索新穎的以單個(gè)原子或原子團(tuán)簇為單元的增質(zhì)、同質(zhì)和減質(zhì)加工方法提出了新的要求，并特別期待能形成系統(tǒng)裝備——這也是制造的核心基礎(chǔ)之一。同時(shí)，這些理論、手段、方法和裝備應(yīng)具有一定的普適性，不敏感地受限或依賴于某種具體的材料體系，這也是原子制造略有別于傳統(tǒng)化學(xué)和材料科學(xué)研究的特征之一。

原子制造概念的內(nèi)涵和外延仍在討論中不斷演化。雖然原子的希臘語原意是不可分的粒子，但它依然可分。因此，在原子制造中，除了對(duì)原子的精確操控外，是否也可以利用一些原子控制手段對(duì)一些具有粒子性的其他微觀粒子進(jìn)行操縱，如可否對(duì)局域電子(例如莫特電子)進(jìn)行直寫和擦除？最近，中國(guó)人民大學(xué)程志海研究組已經(jīng)開展了一些有益的嘗試，在分?jǐn)?shù)摻雜的1T-TaS2體系中初步實(shí)現(xiàn)了大衛(wèi)星(Star of David)超結(jié)構(gòu)中莫特電子的直接操控。此外，更廣義的超原子也可以是空間上物理性質(zhì)均勻的原子聚集體。是否有可能利用這類超原子，創(chuàng)制一些新材料并體現(xiàn)出原子制造的特征呢？武漢大學(xué)和中國(guó)人民大學(xué)[86]近期在單層MoTe2母體中得到的一些初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算跡象預(yù)示了利用這類廣義超原子創(chuàng)制材料，并獲得如籠目電子態(tài)和磁性關(guān)聯(lián)態(tài)等新奇物性的可能性(圖12(a)，(b))。

2013年時(shí)，半導(dǎo)體工業(yè)屆或許還在糾結(jié)，當(dāng)器件尺寸進(jìn)入亞納米的原子尺寸時(shí)如何做器件和電路設(shè)計(jì)，在擔(dān)心什么時(shí)候能等到EUV***，在討論摩爾定律是否還能延續(xù)問題。2023年，量子輸運(yùn)模擬模塊已經(jīng)成了EDA軟件的標(biāo)配，工藝技術(shù)規(guī)劃直接做到了2036年，擬開啟屬于原子的埃米時(shí)代(圖12(c))[87]。我們本以為原子是制造業(yè)的終點(diǎn)，卻發(fā)現(xiàn)它很可能是一個(gè)新制造時(shí)代的起點(diǎn)。

圖12 半導(dǎo)體工業(yè)的未來與原子制造 (a)單層MoTe2中的超原子染色三角晶格(CT-MoTe2)[86]，藍(lán)色和粉色三角標(biāo)識(shí)了染色三角；(b)CT-MoTe2中的新奇電子能帶結(jié)構(gòu)；(c)原子制造是新制造時(shí)代的前進(jìn)方向之一[87]，路線圖中第一行是器件尺寸從納米時(shí)代(N)進(jìn)入原子埃米(A)時(shí)代，第二行是器件與材料創(chuàng)新；(d)材料基因工程[88]、人工智能與原子制造的深度結(jié)合

原子制造是人類當(dāng)前認(rèn)知能力所及的終極制造方式，希望在不遠(yuǎn)的將來，人類可以將材料基因工程[88]和人工智能與原子制造深度融合(圖12(d))，實(shí)現(xiàn)“可設(shè)計(jì)即可制造”。雖然這在發(fā)展基礎(chǔ)理論、構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、提出實(shí)現(xiàn)方法、制造技術(shù)裝備等方面都還有很長(zhǎng)的路要走，但其前途是無限光明的。我們相信實(shí)現(xiàn)原子制造極有可能推動(dòng)人類文明進(jìn)入新的形態(tài)！

審核編輯：劉清