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【中國科學報】為國鑄重器:NANO-X建設二三事
2019-11-21| 文章來源:中國科學報 張永紅 趙廣立| 【

        

二期建效果圖 

        

一期建設效果圖 

  近日,坐落在蘇州市工業園區的納米科技真空互聯綜合實驗裝置(NANO-X)正式面向國內外用戶開放。 

  NANO-X“身上”開創了多個“第一”:它是我國第一個基于真空互聯技術的納米科技大型實驗裝置,也是目前全球范圍內規模最大的納米科技實驗裝置,同時它還是世界第一個按國家重大科技基礎設施標準在建的集材料生長、器件加工、測試分析為一體的納米領域大科學裝置。

  我親身參與了NANO-X的建設歷程。關于NANO-X的籌建,在此記敘一二。

  從概念到落地 

  2011年,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所(以下簡稱蘇州納米所)所長楊輝團隊率先提出了納米真空互聯這個概念。在概念設計中,NANO-X由具有若干綜合功能的材料制備平臺、器件工藝平臺、測試分析平臺組成。各功能設備通過超高真空管道相互連接,以解決傳統超凈間模式中難以解決的塵埃、表面氧化和吸附等污染問題。

  通過三年多的充分調研和論證,蘇州納米所基本明確了建設目標,隨即2014年中科院、江蘇省、蘇州市、蘇州工業園區四方簽署共建協議,共同出資并由蘇州納米所承建NANO-X。至此,拉開了納米真空互聯實驗站概念設計與建設的序幕。

  2015年對于NANO-X也非常關鍵,在這一年,NANO-X的整體設計方案得到細化,并且進行了多輪、多角度、多方位的論證。在這一基礎上,2016年,各方聯動召開領導小組會議,推動NANO-X的實地建設;同年,為了加快NANO-X關鍵工藝的實現以及優化論證設計,蘇州納米所先行建設了納米真空互聯實驗站小型驗證系統。

  這個小型驗證系統對于NANO-X的建設至關重要,它承擔著NANO-X預研和理論驗證的角色。最終建成的驗證系統用46米超高真空管道連接了6臺設備,完成了從材料生長到工藝加工、再到測試分析的工藝路線,真正意義上實現了超高真空下的互聯實驗。

  角色使命完成之后,小型驗證系統也沒閑置。此后的一年多,在小型驗證系統上取得了不少好的實驗結果,也充分體現了真空互聯系統的優越性以及必要性。

  從驗證到開門迎客 

  在小型驗證系統之后,NANO-X很快上馬了。2018年4月,基建工作完成。在取名字的時候,我們給實驗大廳取名為“上善苑”,討一個“上善若水”的彩頭,也與臻于至善的追求相融合。

  2018年11月又是一個里程碑,我們完成了所有實驗設備的搬遷,隨即進行管道和設備調試以及互聯。這一切都是為了力爭以開放的先進設備和優質的技術服務,支持匯聚于此的八方科研鴻儒。

  今年6月,NANO-X通過一期項目總驗收。驗收專家對項目建設成果予以極大的肯定和支持,認為該裝置已經達到了工藝測試大綱要求,初步建成包括材料生長、關鍵器件工藝、準原位表征分析技術在內的研發平臺。在NANO-X二期建設期間,NANO-X就開始面向國內外用戶試運行。

  目前,NANO-X一期已經互聯對接了18臺(套)工藝設備系統,初步實現納米材料表面或界面調控,突破異質材料集成難題。大家通過開展低維超導、能源、催化和寬禁帶半導體四大方向的研究,已經取得了多項成果。

  NANO-X二期也正按計劃順利進行,并已獲得國家發展改革委批復。按照我們的設想,NANO-X二期將努力擴大合作方向,如二維材料、量子芯片、分子半導體等。建成后,NANO-X將在一期能力的基礎上進一步提升,例如將開展低維量子材料與器件的研發、探索超導量子比特的全新制備工藝等。

  此外,針對用戶服務,納米真空互聯實驗站也制定了部門的創新文化。目標是建設國際領先的大科學用戶裝置,形成學科交叉、高端人才、科研創新三個高地,全力支持用戶做出好的成果。

  NANO-X建設的更多意義 

  NANO-X從一個設想到建設至今,大家都有很多感慨。在接受蘇州電視臺采訪時,楊輝就發表過感言:“NANO-X開始就是一個設想,然后變成一張圖紙。五年前在國外作報告講這個東西的時候,大家就聽聽,覺得這種事哪這么容易做的。但是現在他們一看,‘哦,做起來了’,他們很吃驚。我覺得很欣慰。”

  “有些事,在某些點上,已經開始做出我們的特色,能夠做一些國外都沒有想的、實現不了的事,我覺得蠻好。”楊輝說。

  納米真空互聯實驗站的建設,其可貴之處還在于,吸引了一批遠在海外的優秀人才。

  我舉一個例子。納米真空互聯實驗站平臺主任丁孫安研究員,畢業于清華大學電子工程系,后在中科院半導體所獲得物理學博士學位。2014年應楊輝的邀請,義無反顧地辭去在美國英特爾公司的高薪工作,回到國內開始一起創建現如今落成的世界級大科學裝置。

  NANO-X的建成是振奮人心的,但也是艱難的。

  在實驗站真空管道工程和設備對接的總體規劃和工程建設方面,我們沒有任何可借鑒的資料,很多技術指標無法確定。其中,真空實現和傳輸系統是實驗站的核心關鍵問題,中轉過渡系統更是實現樣品輸運的關鍵。我們僅憑網上找到的一個14秒的視頻資料,用了兩個多月的時間,就自主設計并建成了用于超高真空環境下的三維多層結構的樣品傳輸系統,解決了整個工程的核心問題。這個問題的解決,確保了2017年成功搭建納米真空互聯管道示范線。

  值得一提的是,NANO-X的建設具有非常重大的科學意義。

  以往國內進行納米科技研究的平臺小而分散。納米材料在某個平臺上生長出來后,需要從真空中取出,到另一個平臺進行測試分析,取出過程可能使納米材料特性受損。NANO-X正是為了解決納米科技研發中的這些關鍵共性難題而建設的。

  作為重大科技基礎設施,NANO-X將確立我國在納米領域從基礎研究到應用開發的領先地位。利用真空互聯的技術優勢,可以突破經典物理問題研究的傳統模式,解決未來新興學科的重大科學問題。

  此外,NANO-X平臺全面對外開放,能夠吸引不同領域的科學家和專業人員在同一平臺上,交叉融合、相互碰撞、協同創新。平臺的建成不僅可以形成一個國際頂尖納米科技人才的聚集高地,帶來很多新思想、新方法、新技術,而且可以大大提升我國重大儀器設備的研制水平,為國家戰略高技術提供重要支撐,并成為引領納米科技的重要基地。

  (作者系納米真空互聯實驗站平臺副主任,本報記者趙廣立整理) 

  《中國科學報》 (2019-11-21 第8版 裝備制造)
 
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