原子/分子團(tuán)簇是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種新形態(tài)，具有獨(dú)特的本征性質(zhì)。從原子/分子團(tuán)簇到器件的跨尺度制造，將為高端裝備和新興電子等產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來深刻變革。團(tuán)簇的多物質(zhì)構(gòu)效關(guān)系、宏量制造、團(tuán)簇結(jié)構(gòu)跨尺度構(gòu)筑以及團(tuán)簇器件的高性能制造等是原子/分子團(tuán)簇器件制造的關(guān)鍵發(fā)展方向，主導(dǎo)著從原子到產(chǎn)品制造的發(fā)展歷程。把握這些發(fā)展背后的重要機(jī)遇，將有助于占領(lǐng)原子級制造研究的制高點(diǎn)，引領(lǐng)原子級制造方法的變革。由原子/分子團(tuán)簇直接構(gòu)筑功能器件或構(gòu)件，是產(chǎn)品制造的新形式，在先進(jìn)制造領(lǐng)域具有重要的意義，其中包括兩個(gè)方面。首先，可以微縮器件的特征尺寸并提高制造精度。在集成電路的發(fā)展中，越小的器件尺寸意味著更高的集成度和更好的性能。利用原子/分子團(tuán)簇直接構(gòu)筑功能器件或構(gòu)件可以將器件尺寸縮小到原子水平，將成為在后摩爾時(shí)代提高芯片性能的重要途徑。其次，該策略更具顛覆性的意義，因?yàn)樗梢酝黄品肿雍途w的限制，通過對原子的精細(xì)操控來創(chuàng)造新分子、新材料和新器件。因此，原子/分子團(tuán)簇直接構(gòu)筑功能器件或構(gòu)件不僅是由原子尺度物質(zhì)科學(xué)支撐的先進(jìn)制造技術(shù)，而且是推動(dòng)物質(zhì)科學(xué)發(fā)展的一種未來技術(shù)，甚至是未來物質(zhì)科學(xué)的一種新形態(tài)，其必將顛覆現(xiàn)有制造方式獲得的產(chǎn)品性能，深遠(yuǎn)影響高端國防裝備和新興電子產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。另一方面，通過對原子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，能夠提高材料的工作溫度，實(shí)現(xiàn)陶瓷增韌，為高超航天器提供新型耐高溫材料與結(jié)構(gòu)。在電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，將原子/分子團(tuán)簇等按照一定的方式進(jìn)行組裝能構(gòu)筑具有特定功能的器件，如具有超高分辨率、超高亮度、超快響應(yīng)能力的新型顯示器、紅外光電探測系數(shù)數(shù)倍增強(qiáng)的超敏傳感器以及單分子電子器件及其構(gòu)建的下一代集成電路等。

基于上述背景，西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/前沿科學(xué)技術(shù)研究院邵金友教授等從團(tuán)簇新材料的宏量制造、新型功能器件的原子/分子團(tuán)簇構(gòu)筑、團(tuán)簇—器件的跨尺度制造工藝和裝備等三個(gè)方面概括了原子/分子團(tuán)簇與器件制造領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展，總結(jié)了原子/分子團(tuán)簇與器件領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題及面臨的挑戰(zhàn)，并對其未來發(fā)展方向和發(fā)展戰(zhàn)略給出了建議。特別地，建議從以下三個(gè)方面重點(diǎn)關(guān)注其中的科學(xué)問題研究：

1.在原子/分子團(tuán)簇及晶胞結(jié)構(gòu)的形性調(diào)控機(jī)制與宏量制造方面。建議重點(diǎn)研究量子力學(xué)在團(tuán)簇生成及晶胞結(jié)構(gòu)調(diào)控過程中的作用機(jī)制與控制方法，為原子/分子團(tuán)簇和晶胞的高性能制造提供量子力學(xué)調(diào)控原理；研究團(tuán)簇和晶胞結(jié)構(gòu)形態(tài)與材料特性之間的構(gòu)效關(guān)系，為優(yōu)異特性的材料制造提供合理設(shè)計(jì)；研究特定形性團(tuán)簇和晶胞的穩(wěn)定性和一致性控制方法，為團(tuán)簇及晶胞的宏量制造提供關(guān)鍵方法保障。

2.在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的定域組裝方法及異質(zhì)/異構(gòu)界面特性的調(diào)控方面。建議重點(diǎn)研究團(tuán)簇組裝和圖形化過程中的界面力學(xué)作用機(jī)制，為團(tuán)簇結(jié)構(gòu)制造提供關(guān)鍵理論支撐；研究“自下而上”與“自上而下”相結(jié)合的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)定域組裝機(jī)制與調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)團(tuán)簇微納結(jié)構(gòu)的一致性、批量化制造；研究團(tuán)簇異質(zhì)/異構(gòu)界面的力、熱、光、電等基本物理特性形成機(jī)制與控制方法，實(shí)現(xiàn)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的基本性能調(diào)控。

3.在團(tuán)簇—微納結(jié)構(gòu)—器件性能映射關(guān)系與一體化高性能制造工藝和裝備方面。建議研究團(tuán)簇形性特征、微納結(jié)構(gòu)功能特征、器件性能表現(xiàn)三者之間的相互映射關(guān)系，為器件功能和性能設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；研究由團(tuán)簇材料到宏觀器件的一體化制造新工藝和新方法，為高性能團(tuán)簇器件制造提供創(chuàng)新工藝技術(shù)；研究典型團(tuán)簇器件的創(chuàng)新印刷裝備，為團(tuán)簇器件的制造和應(yīng)用提供制造裝備范式。

該研究成果以《基于原子/分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的材料與器件制造》（manufacturing from atomic and molecular clusters to devices）為題發(fā)表于材料領(lǐng)域高水平期刊《中國科學(xué)基金》。西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/前沿科學(xué)技術(shù)研究院邵金友教授為論文的第一/通訊作者。

論文鏈接：doi: 10.16262/j.cnki.1000-8217.2024.01.028

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