XK星空中国官方网站 终极纳米器件的开发始于理解“单个原子”
- 原子是构成我们周围一切的微小粒子。空气、水，甚至人体都是由这些原子组成的。大约40年前，发明了一种“革命性的显微镜”，它不仅可以实际看到肉眼无法看到的原子，还可以将它们一一移动。那就是“扫描探针显微镜”。稻波英一教授利用这种特殊的显微镜作为武器，探索微观世界，并接受开发纳米材料的挑战，从而带来新的创新。
推进微加工技术的原子级制造
从智能手机、电动汽车、数字家电到金融系统和交通基础设施。半导体作为快速发展的数字化的基石发挥着重要作用。稻波教授表示，“半导体微加工技术的快速发展，使得各种系统的性能提高、小型化和节能成为可能。”其标志就是智能手机。最新的 iPhone 型号配备了 190 亿个晶体管。换句话说，一个手掌大小的盒子里塞满了小到肉眼看不见的半导体元件。
“过去在大型计算机上需要数天的计算现在可以在智能手机上立即完成。这是小型化的结果。”
虽然需要进一步的技术创新，但原子操纵（使用扫描探针显微镜（SPM）*来观察和移动单个原子）预计将成为基于新原理的方法之一。 Inami教授正在致力于开发这种终极微加工技术。我们利用SPM在“单原子”水平上了解材料的结构和性质，不仅发现材料的新性质和功能，而且开发控制它们的技术。
“当你说“原子水平的制造”时，很容易理解。如果你仔细观察任何材料，你最终都会达到原子排列的状态。了解原子相互连接的方式产生什么特性非常重要。通过了解这些纳米材料并有意改变它们的排列，我们正在尝试发现新材料并在现有材料中找到新特性。通过利用这些材料，我们的目标是开发新的材料。纳米材料并以此为基础创建功能强大的设备。”
*一种显微镜，可以通过使用带有单原子尖端的锋利针（探针）追踪样品表面，在原子尺度上测量表面的形状和物理特性。它没有像光学显微镜那样的镜头，而是由精密机械和显示器组成。
阐明原子的未知特性，这将导致超高性能设备的开发
Inami 教授通过使用 SPM 进行研究，取得了许多对世界产生影响的成果。其中一个发现是，通过将由碳原子组成的石墨暴露在少量可见光下，其中的一部分会变成辉石，一种性质介于金刚石和石墨之间的物质。在仔细研究细节的同时，他在世界上首次直接观察到原子尺度上的“光致相变”现象，即材料在光照下结构和性质发生变化的现象，并成功阐明了其机理。他们还发现，相变过程会根据光的波长而发生显着变化，并阐明可以通过调节光在原子水平上控制相变过程。这些成果可以说加速了新材料的发展。
“目前，在研究这种硅藻土特性的同时，我们也在尝试结合光和原子操纵进行微加工。如果这项技术成为现实，将有可能在原子水平上精确排列硅藻土，就像在电子电路中一样。通过这种研究，我们不仅希望发现硅藻土的隐藏特性，而且还希望探索以复杂方式将它们结合起来并将其应用到设备中的功能。”
众所周知，由多个原子组成的纳米团簇的性质会根据组成原子的数量而发生巨大变化。 Inami教授和他的同事们在进行稳定的实验时取得了重大发现，试图通过在单原子水平上精确改变这些纳米团簇的尺寸来揭示它们隐藏的特性。
“当我们用 SPM 针将铅原子逐个排列时，我们发现，当我们将三个铅原子紧密排列并施加小电流时，原子会移动并返回到它们的位置。换句话说，我们发现三个铅原子的簇在室温下起着开关的作用。”
如果我们能找到一种方法将它们高密度地排列并交换它们，那么很可能会导致超高性能计算机和设备的发展。
此外，最近我们特别积极地开发基于SPM的新设备。自 IBM 瑞士苏黎世研究中心开发 SPM 以来，已经过去了 40 多年，并且需要根据微加工技术的进步来提高其性能。因此，稻波教授和他的同事们设计了一种利用脉冲电压法的显微镜技术。脉冲电压是一种在短时间内突然上升然后迅速下降的电压波形。我们正在开发一种独特的技术来观察样品的表面，同时向样品施加这样的脉冲序列。
``这项新技术不仅可以更详细地观察两个原子粘在一起形成分子的过程，而且还可以精确测量“功函数”，即从物质中提取电子所需的最小能量。''
人们对有助于微加工技术进一步进步的技术创新抱有很高的期望。
我想通过结合光和原子操纵来开辟新的领域
稻波教授利用材料分析、加工和设备开发等各种技术从事原子尺度的制造，他在初中时就对微观世界产生了兴趣。
“在科学课上，我看到一个由几个圆球粘在一起的图，显示为“原子结构”，我心想，“你怎么知道它是这样的，尽管你看不到它？”“我忍不住想知道。”
进入理学院。通过使用X射线分析等方法分析材料的结构，我能够在脑海中了解原子的结构，但我想亲眼看到它的愿望却越来越强烈。终于，我的愿望实现的时候到了。
“在我攻读硕士学位期间，一位教授向我展示了一幅有序排列的原子图像。我惊讶于它的真实性。“你真的可以看到原子！ ？ “我真的很兴奋。这是用 SPM 拍摄的图像，我突然产生了兴趣，认为使用这种显微镜可以进行有趣的研究。”
他本科时主修天体物理学，硕士学位则主修光学物理学，但这一事件促使他开始利用 SPM 进行原子操纵。从那时起，他一直以 SPM 作为武器，致力于从微观到宏观的广泛研究主题。 2018年，他来到我校，希望将自己过去的经验融入到原创研究中。
“我曾在多所大学的实验室工作过，并在 SPM、光学物理和表面科学领域进行过研究。在我们的大学，我们将这三个领域结合起来，并怀着开拓新领域的愿望进行研究。”
目前，我们在与其他大学合作开展尖端研究的同时，也在校内与信息科学系合作，将人工智能引入从原子结构预测材料特性的理论计算中，并开始开发更快、更高精度预测各种功能的技术。这种精神的根源是“通过自由组合原子创造前所未有的设备”的一贯目标。
``当物体变得非常小时，被称为“量子现象”的独特属性就会出现，并且应用程序正在进行中，例如，可以超高速执行计算的量子计算机。换句话说，纳米技术是使用以前从未见过的新“原理”来显着改变现有物体性能的能力，而不仅仅是使用相同原理提高现有物体的性能。我坚信原子尺度的制造是最短的路径实现创新设备。''
发布日期：2025 年 1 月/报道日期：2024 年 11 月