原子制造過程的可視化與原位檢測(cè)

摘 要：原子制造是指將能量直接作用于原子，對(duì)原子進(jìn)行精準(zhǔn)可控去除、增加等操作，從而調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)原子制造的精準(zhǔn)性和可控性，跨尺度的實(shí)時(shí)觀察與檢測(cè)勢(shì)在必行。原位透射電子顯微技術(shù)不僅能在原子尺度下實(shí)時(shí)研究納米材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，而且可以構(gòu)建原子級(jí)器件并實(shí)現(xiàn)其性能的原位檢測(cè)。簡(jiǎn)要綜述了原位透射電子顯微技術(shù)在納米／原子精度的加工、器件構(gòu)建及原位檢測(cè)方面取得的重要進(jìn)展，提出了當(dāng)前原位透射電子顯微技術(shù)在原子制造過程的可視化與原位檢測(cè)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

關(guān) 鍵 詞：原子制造；可視化；原子尺度加工；原位檢測(cè)；原位透射電子顯微鏡；納米材料；實(shí)時(shí)觀察

中圖分類號(hào)：ＴＮ１６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１０００－１６４６（２０２４）０５－０７０２－０８

縱觀人類歷史發(fā)展脈絡(luò)，制造技術(shù)水平常被視為衡量一個(gè)時(shí)代發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)時(shí)代的進(jìn)步都離不開制造技術(shù)的變革。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，制造技術(shù)不斷突破，材料制造精度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從毫米級(jí)、微米級(jí)到納米級(jí)的飛躍。進(jìn)入后摩爾時(shí)代以來，原子制造被逐漸提上日程，各國相繼開始從戰(zhàn)略層面上對(duì)此進(jìn)行布局。通過將能量直接作用于原子，原子制造可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子進(jìn)行精準(zhǔn)可控去除、增加等操作，從而調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（如機(jī)械強(qiáng)度、電阻、電子遷移率等），提升產(chǎn)品性能與功能［１－２］。在原子制造過程中，材料在不同外界激勵(lì)以及不同環(huán)境下（如液體、氣體等）的結(jié)構(gòu)演變將直接影響原子制造的精準(zhǔn)性和可控性，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品性能（如電學(xué)性能、力學(xué)性能等）產(chǎn)生影響。因此，為了提高原子制造產(chǎn)品的良品率，需要在制造過程中進(jìn)行從原子尺度到宏觀尺度的跨尺度實(shí)時(shí)觀察，并實(shí)現(xiàn)能量、結(jié)構(gòu)、性能等多維度全方位實(shí)時(shí)表征［１］。目前，具有超高時(shí)空分辨率的透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）有望實(shí)現(xiàn)這一要求。圖１為ＦＥＩＴｉｔａｎ８０-３００型球差校正ＴＥＭ，其加速電壓可以在８０～３００ｋＶ之間調(diào)節(jié)，具有８０ｐｍ信息分辨率，相應(yīng)掃描透射電子顯微鏡（ＳＴＥＭ）分辨率可以達(dá)到０.１４ｎｍ，電子能量損失譜（ＥＥＬＳ）能量分辨率能夠達(dá)到０.７ｅＶ。

通過在ＴＥＭ 中建立原子尺度結(jié)構(gòu)演變動(dòng)態(tài)表征平臺(tái)，有利于準(zhǔn)確理解原子尺度下材料的結(jié)構(gòu)演變機(jī)理，進(jìn)而調(diào)控材料的缺陷、相結(jié)構(gòu)等［３－６］。近年來，隨著原位技術(shù)的發(fā)展，原位ＴＥＭ表征已經(jīng)成為保障原子制造精準(zhǔn)性和可控性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原位ＴＥＭ是指在ＴＥＭ中觀察樣品的同時(shí)，對(duì)其施加某種形式的外部激勵(lì)或環(huán)境，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的變化，這就要求ＴＥＭ不僅是一種成像工具，而且還是一個(gè)小型化實(shí)驗(yàn)室［７－８］。借助“將納米實(shí)驗(yàn)室建在ＴＥＭ中”的想法，可以構(gòu)建“可視化”原子尺度制造工藝與原理研究平臺(tái)（見圖２［９］）。一方面，利用高能電子束可實(shí)現(xiàn)原子尺度定域增材和減材制造，并可在原子尺度實(shí)時(shí)觀察材料在電子束作用下的結(jié)構(gòu)演變過程，例如通過使用聚焦電子束，可以實(shí)現(xiàn)在納米材料表面進(jìn)行原位精確加工，以完成各種原子尺度結(jié)構(gòu)（如納米孔、納米帶等）的制備，或利用電子束調(diào)控缺陷結(jié)構(gòu)，改變材料內(nèi)部的缺陷類型和分布，誘導(dǎo)材料的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等，進(jìn)而揭示制造過程中的相關(guān)機(jī)制與原理，這些都為原子級(jí)器件的制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另一方面，引入機(jī)械力、電場(chǎng)、光場(chǎng)、熱場(chǎng)等激勵(lì)以及氣體、液體等環(huán)境，可在原子尺度實(shí)現(xiàn)多種制造方法的融合研發(fā)，加速制造工藝的發(fā)展。此外，還可實(shí)現(xiàn)器件在服役條件下原子尺度觀察與物性測(cè)量，從而研究器件運(yùn)行過程中的微觀機(jī)制，加速器件的研發(fā)進(jìn)程。

目前，國內(nèi)外科研人員利用原位ＴＥＭ 已經(jīng)在原子制造領(lǐng)域取得了諸多成果。美國麻省理工學(xué)院相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)［１０］利用電子束輻照實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子操控。北京大學(xué)ＨＡＮ等［６］利用電子束在單層過渡金屬硫族化合物材料中成功制造了各種金屬空位，為探索原子尺度下的量子現(xiàn)象創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。美國匹茲堡大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)［１１－１２］研究了材料表面加工過程中界面結(jié)構(gòu)的原子尺度演變過程，發(fā)現(xiàn)原子擴(kuò)散在金屬材料的表面加工過程中起到了關(guān)鍵作用。ＪＩＡＮＧ等［１３］利用球差校正ＴＥＭ和高速檢測(cè)相機(jī)，在室溫下對(duì)Ａｕ納米晶體中由表面壓力驅(qū)動(dòng)的原子擴(kuò)散進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察，揭示了Ａｕ（００１）面和（１１１）面的表面原子擴(kuò)散機(jī)制，并定量計(jì)算了原子擴(kuò)散系數(shù)，為金屬納米結(jié)構(gòu)擴(kuò)散主導(dǎo)的形態(tài)演變機(jī)制提供了新見解。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)在液體環(huán)境原位ＴＥＭ 表征方面取得了多項(xiàng)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了在原子尺度下實(shí)時(shí)觀察液體環(huán)境中的納米晶形核和定向附著生長(zhǎng)，為液體環(huán)境中納米材料的可控原子制造奠定了基礎(chǔ)［１４］。浙江大學(xué)ＹＵＡＮ等［１５］揭示了在一氧化碳氧化過程中，Ａｕ／ＴｉＯ２界面的原子結(jié)構(gòu)與表面Ａｕ納米顆粒的外延旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。通過利用這種可逆且可控的旋轉(zhuǎn)，結(jié)合對(duì)氣體環(huán)境和溫度的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活性Ａｕ／ＴｉＯ２界面的原位操縱，研究結(jié)果表明，在原子尺度下實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)催化界面具有可行性。

本文聚焦原位ＴＥＭ 中原子制造過程的可視化與原位檢測(cè)，對(duì)近期納米材料原位原子尺度加工、器件構(gòu)建及原位檢測(cè)等具有代表性的相關(guān)研究工作進(jìn)行了梳理。重點(diǎn)關(guān)注納米／原子尺度下重要加工機(jī)制的發(fā)現(xiàn)、原子加工技術(shù)的開發(fā)以及原位器件的構(gòu)建和實(shí)時(shí)檢測(cè)，討論了將原位ＴＥＭ發(fā)展為可視化原子尺度加工平臺(tái)的可行性。提出了當(dāng)前原位ＴＥＭ在可視化原子制造和原位檢測(cè)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了相關(guān)預(yù)測(cè)。

１ 電子束輻照誘導(dǎo)的原子尺度制造工藝與原理

在ＴＥＭ成像過程中需要電子束穿過樣品并將樣品信息投射到顯微鏡觀察系統(tǒng)上。因此，對(duì)于任何需要在ＴＥＭ 中進(jìn)行成像的樣品而言，其與高能電子之間的相互作用都是不可避免的。這種相互作用可能會(huì)導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的暫時(shí)或永久變化，即所謂輻照損傷。但電子束輻照也可作為實(shí)現(xiàn)納米材料原子級(jí)加工和性質(zhì)調(diào)控的一種手段。現(xiàn)代ＴＥＭ中的電子束可以聚焦在直徑小于０１ｎｍ的斑點(diǎn)上，使得在原子尺度下對(duì)納米材料進(jìn)行操作成為可能。時(shí)至今日，利用ＴＥＭ 中高能電子束開展的原位電子束輻照研究，不僅揭示了納米材料與高能電子相互作用后發(fā)生的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，而且通過調(diào)節(jié)電子束的束斑尺寸、強(qiáng)度和能量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米材料進(jìn)行納米／原子精度的加工和調(diào)控。

ＬＩＵ等［１６］研究了電子束輻照作用下納米材料的結(jié)構(gòu)演變機(jī)制，提出了基于電子束輻照自上而下加工低維納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)路徑。在８０ｋＶ加速電壓下，利用束流密度為４０Ａ／ｃｍ２的聚焦電子束在ＭｏＳ２表面制造缺陷和空洞。隨著電子束輻照的進(jìn)行，ＭｏＳ２表面空洞擴(kuò)展，最終在相鄰空洞之間獲得了寬度僅有０.３５ｎｍ的硫化鉬一維結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖３［１６］所示。ＸＵ等［１７］在８０ｋＶ加速電壓下，采用束流密度約為３００Ａ／ｃｍ２的電子束對(duì)ＡＡ′堆疊的雙層ＢＮ納米片進(jìn)行輻照，電子束輻照導(dǎo)致ＢＮ共價(jià)層間鍵沿平行于鋸齒形邊緣的方向形成，從而制備了管徑為０.４５ｎｍ的單壁ＢＮ納米管，該研究為超小納米半導(dǎo)體器件的構(gòu)建提供了新的加工手段。

ＳＨＥＮ等［１８］實(shí)現(xiàn)了５ｎｍ以下納米孔的加工，開發(fā)了一種基于電子束輻照的修復(fù)方法并闡明了其調(diào)控機(jī)制。圖４為Ｂｉ２Ｔｅ３納米孔在電子束輻照下的修復(fù)過程［１８］。在３００ｋＶ加速電壓下，利用束流密度為１.６×１０５Ａ／ｃｍ２的電子束對(duì)Ｂｉ２Ｔｅ３納米孔進(jìn)行輻照。在此過程中，從晶格中析出的Ｂｉ和Ｔｅ原子為納米孔的愈合提供了原子，納米孔在各個(gè)方向上同性收縮，最終完全愈合。電子束輻照可以同時(shí)誘導(dǎo)Ｂｉ２Ｔｅ３的解離和重構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)于材料的刻蝕和生長(zhǎng)。根據(jù)電子束強(qiáng)度的不同，這兩個(gè)過程具有不同速率，因此將電子束強(qiáng)度控制在適當(dāng)水平是實(shí)現(xiàn)納米孔修復(fù)的關(guān)鍵。此外，ＳＨＥＮ等［１８］還證明這種電子束驅(qū)動(dòng)的修復(fù)過程可以擴(kuò)展到二維ＭｏＳ２上，同樣也實(shí)現(xiàn)了ＭｏＳ２ 納米孔的修復(fù)。ＺＨＵ等［１４］在３００ｋＶ加速電壓下，利用一定劑量率的電子束對(duì)含有Ａｕ納米顆粒的溶液進(jìn)行輻照。在電子束輻照作用下，原本大尺寸Ａｕ納米顆粒溶解到溶液中，同時(shí)重新生成了尺寸約為２ｎｍ的較小納米顆粒。該研究利用電子束對(duì)溶液中納米顆粒的成核與生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，在原子尺度觀察了納米顆粒的定向吸附行為，提出了吸附能誘導(dǎo)的晶面選擇機(jī)制，為納米材料定向生長(zhǎng)制造提供了重要實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。ＷＡＮＧ等［１９］在２００ｋＶ加速電壓下，利用一定劑量率的電子束來調(diào)控溶液中納米金屬顆粒的刻蝕，闡明了氣泡對(duì)納米顆?？涛g的加速機(jī)制，為液相刻蝕加工調(diào)控提供了實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證。

２ 電驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)的原子尺度制造方法與原理

電子束輻照為各種原子尺度結(jié)構(gòu)的加工提供了技術(shù)手段，在此基礎(chǔ)上，原位電學(xué)ＴＥＭ 則為高純納米晶及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備創(chuàng)造了條件。原位電學(xué)ＴＥＭ 可以實(shí)現(xiàn)在納米／原子尺度下實(shí)時(shí)觀察納米材料被施加偏置電壓時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。目前常用兩種裝置進(jìn)行原位電學(xué)研究：一種是帶有鎢／金探針的電學(xué)樣品桿，探針能以納米級(jí)精度向樣品端移動(dòng)，當(dāng)探針尖端與樣品接觸后可以進(jìn)行電學(xué)測(cè)試，獲取實(shí)時(shí)電流、電阻等電學(xué)參數(shù)；另一種是加裝電極的微機(jī)電系統(tǒng)芯片，通過聚焦離子束（ＦＩＢ）將樣品轉(zhuǎn)移并放置在芯片電極位置，然后利用Ａｕ／Ｐｔ鍍層進(jìn)行焊接，最后放入ＴＥＭ 中開展原位電學(xué)研究。

ＳＵＮ等［２０］開發(fā)了一種微區(qū)內(nèi)瞬時(shí)高壓引發(fā)原子遷移制備高純納米單晶的方法，并在室溫下從原子尺度實(shí)時(shí)觀察到１０ｎｍ以下Ａｇ納米晶的類液態(tài)形變行為。該研究表明，經(jīng)典Ｈａｌｌ-Ｐｅｔｃｈ公式中“越小越強(qiáng)”規(guī)律不再適用，并提出了不同于傳統(tǒng)形變理論的Ｃｏｂｌｅ贗彈性理論，該研究對(duì)如何維持下一代納米電子器件互連線和電極的穩(wěn)定性，以及如何實(shí)現(xiàn)超小尺寸器件納米加工，具有重要參考意義。ＺＨＡＮＧ等［２１－２２］提出了電驅(qū)動(dòng)陽離子交換方法和電驅(qū)動(dòng)原子擴(kuò)散方法，用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原位構(gòu)建。在原位構(gòu)建Ｃｕ-ＣｄＳ納米線-Ｗ 結(jié)構(gòu)中，通過控制遷入離子源的接觸位置和離子交換過程，可以選擇性制備不同ＣｄＳ／Ｃｕ２Ｓ核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米晶（見圖５ａ［２１］）。除此之外，在構(gòu)建的Ａｇ-Ｔｅ體系結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)控電場(chǎng)方向和焦耳熱，可以制備不同形態(tài)（核殼或分段）的Ａｇ／Ａｇ２Ｔｅ異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米晶（見圖５ｂ［２２］）。結(jié)構(gòu)調(diào)控過程的可視化可為異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的微觀機(jī)制提供直接證據(jù)，使得納米尺度下材料和器件的制造過程更清晰、更精準(zhǔn)、更可控。

３ 原子尺度下器件構(gòu)建與原位動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)

原位ＴＥＭ 不僅可以實(shí)現(xiàn)原子尺度的精確加工和各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，而且也為原子尺度下器件的原位構(gòu)建和檢測(cè)提供了條件。隨著微電子器件尺寸的不斷縮小，納米電子材料已經(jīng)廣泛用于制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電容器、存儲(chǔ)器和全固態(tài)離子電池等各類電子元器件。眾所周知，納米材料的電子傳輸特性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，研究納米材料在傳輸電子時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，對(duì)于了解納米電子材料的失效機(jī)制以及提升納米器件的電子傳輸性能具有重要意義。目前，多種器件結(jié)構(gòu)（諸如太陽能電池、存儲(chǔ)器、鋰離子電池等）已能夠原位構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)器件在工作條件下的動(dòng)態(tài)表征和穩(wěn)定性檢測(cè)，并可為器件制造工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。

ＤＯＮＧ等［２３］自主研發(fā)了一種新型原位光電－電子顯微技術(shù)，原位構(gòu)建了世界上最小尺度的ＴｉＯ２納米線／ＣｄＳｅ量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)太陽能電池（見圖６［２３］）。實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)作用下材料結(jié)構(gòu)的原子尺度動(dòng)態(tài)表征和器件光電流（皮安精度）的同步測(cè)量。ＧＯＮＧ等［２４］完善了全固態(tài)電池的原位研究方法，從晶體多個(gè)帶軸方向觀察了電極材料（ＬｉＮｉ０５Ｍｎ１５Ｏ４）在脫鋰過程中的原子和電子結(jié)構(gòu)演變過程。結(jié)果表明，鋰離子的不均勻脫離導(dǎo)致過渡金屬離子發(fā)生了局部遷移并形成反相邊界，位錯(cuò)的存在也促進(jìn)了過渡金屬離子的遷移。該研究采用的原子尺度三維表征，相較于傳統(tǒng)的二維電子顯微表征，能夠提供更準(zhǔn)確且豐富的材料演變信息。

ＷＵ等［２５］制備了ＴｉＮ／ＺｒＯ２／Ａｌ２Ｏ３／ＩｎＧａＡｓ場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在原子尺度下實(shí)時(shí)觀測(cè)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵介質(zhì)擊穿過程（見圖７［２５］），闡明了器件失效的材料物理起源，為器件可靠性設(shè)計(jì)與制造工藝優(yōu)化提供了支撐。ＬＩＵ等［２６］利用聚焦離子束（ＦＩＢ）技術(shù)制備了ＺｒＯ２基憶阻器，并通過原位ＴＥＭ研究了Ａｇ和Ｃｕ導(dǎo)電細(xì)絲的形成／溶解過程、導(dǎo)電細(xì)絲的生長(zhǎng)方向以及其在不同狀態(tài)下的化學(xué)成分。利用原位ＴＥＭ 直接解決了與電阻開關(guān)效應(yīng)相關(guān)的幾個(gè)尚未解決的基本問題，包括導(dǎo)電細(xì)絲形成／溶解的起點(diǎn)、導(dǎo)電細(xì)絲生長(zhǎng)／溶解的方向和ＳＥＴ／ＲＥＳＥＴ過程中導(dǎo)電細(xì)絲的演變等。

４ 結(jié)論與展望

利用原位ＴＥＭ實(shí)時(shí)表征外部激勵(lì)環(huán)境下納米材料的動(dòng)態(tài)變化，不僅可為原子尺度下發(fā)生的各種現(xiàn)象提供深刻見解，也可為設(shè)計(jì)和優(yōu)化各類納米結(jié)構(gòu)／器件提供重要參考。電子束輻照、熱場(chǎng)和機(jī)械力等外界激勵(lì)已經(jīng)被證明能在原子尺度下對(duì)納米材料進(jìn)行加工和調(diào)控。因此，將原位ＴＥＭ發(fā)展成為可視化原子制造與原位檢測(cè)平臺(tái)是未來原子加工技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，原位ＴＥＭ在原子制造及原位檢測(cè)方面依然存在一些亟須解決的問題。首先是部分實(shí)驗(yàn)條件下成像分辨率低的難題，例如電子束在液體層或氣體層中會(huì)失去相干性，導(dǎo)致ＴＥＭ 空間分辨率顯著下降。優(yōu)化液體和氣體腔的設(shè)計(jì)能夠在一定程度上改善液體和氣體環(huán)境下的圖像分辨率。此外，大部分原位實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注樣品在單一激勵(lì)下發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，而納米材料在實(shí)際工作過程中往往是在多種外部激勵(lì)環(huán)境同時(shí)存在時(shí)運(yùn)作。因此，大部分原位實(shí)驗(yàn)并不能準(zhǔn)確模擬納米材料的實(shí)際工作環(huán)境，而開發(fā)能夠集成多種外部激勵(lì)環(huán)境的原位研究技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。另外，原位ＴＥＭ需要以足夠的時(shí)間分辨率來記錄納米材料或器件發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化。目前，最先進(jìn)的電子探測(cè)器的分辨率可以達(dá)到１５００幀／ｓ，極大提升了記錄器件或材料快速動(dòng)態(tài)變化的能力。然而，高速探測(cè)器記錄的大量數(shù)據(jù)會(huì)給數(shù)據(jù)的收集和分析帶來極大困難，需要開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以便識(shí)別和研究大量圖像數(shù)據(jù)?？傊唬裕牛?不僅是理解許多納米／原子尺度現(xiàn)象的研究平臺(tái)，也是對(duì)納米材料進(jìn)行原子精度加工、調(diào)控和原位器件檢測(cè)的可視化微型實(shí)驗(yàn)室。可以預(yù)見的是，基于原位ＴＥＭ的表征與調(diào)控技術(shù)將持續(xù)推進(jìn)納米材料原子制造過程的可視化與原位檢測(cè)進(jìn)程。

未來利用原位ＴＥＭ 進(jìn)行原子制造和原位檢測(cè)可以從以下３個(gè)方面進(jìn)行探索：

１）低維材料原子尺度精準(zhǔn)制造與標(biāo)準(zhǔn)化。著重研究零維、一維、二維等有望引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的微電子材料在電子束作用下的結(jié)構(gòu)演變行為；定量化探索不同材料體系在不同電子束參數(shù)（束流密度、束斑尺寸、電子束能量、劑量等）條件下的演變規(guī)律；建立電子束輻照過程的物理模型，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電子束輻照加工的圖形化設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)操控。

２）多場(chǎng)作用下原子尺度制造方法與原理探索。著重研究電子束輻照、熱場(chǎng)和電場(chǎng)輔助的原子尺度增材、減材制造方法，分析每種方法作用下的材料演變機(jī)制以及探索以多種外場(chǎng)相融合的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工的可行性；建立不同方法及不同條件下原子制造的相關(guān)理論和基礎(chǔ)模型；探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組裝行為和機(jī)制，提出其原子尺度加工的可行性方案與相關(guān)實(shí)施方法。

３）原子尺度下器件構(gòu)建與新認(rèn)知。借助原子尺度材料制造新理論與新方法的研究，提出相關(guān)新原理器件的原位構(gòu)建方法；對(duì)器件進(jìn)行原子尺度觀測(cè)并施加各種外場(chǎng)，研究在外場(chǎng)作用或模擬服役條件下器件結(jié)構(gòu)的演變過程，從原子尺度認(rèn)知器件的工作原理和失效機(jī)制。

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（責(zé)任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

特邀專家 孫立濤，東南大學(xué)副校長(zhǎng)、首席教授。１９９９年獲沈陽工業(yè)大學(xué)熱加工工藝及設(shè)備專業(yè)學(xué)士學(xué)位，２００２年獲沈陽工業(yè)大學(xué)材料加工工程專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位，２００５年獲中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所粒子物理與原子核物理專業(yè)理學(xué)博士學(xué)位。國家杰青、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國家“萬人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才等，科睿唯安全球高被引科學(xué)家（２０１８年至今），因原子尺度制造工藝及原理方面的貢獻(xiàn)獲２０２２年度科學(xué)探索獎(jiǎng)。長(zhǎng)期從事微納電子材料與器件、可視化原子尺度制造及芯片原位檢測(cè)方面的研究。相關(guān)成果發(fā)表ＳＣＩ論文３００余篇，其中Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｎａｔｕｒｅ及其子刊２６篇。兼任《電子器件》雜志主編、ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏｄａｙＮａｎｏ等雜志編委、國務(wù)院學(xué)科評(píng)議組成員、國家石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心顧問、歐洲科學(xué)基金會(huì)專家評(píng)審委員會(huì)委員等。曾獲“ＮａｎｏＲｅｓｅａｒｃｈ青年創(chuàng)新者獎(jiǎng)”、江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新與促進(jìn)獎(jiǎng)、中國發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)獲國家小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（１２２３４００５，Ｔ２３２１００２）。