步入納米時(shí)代后，納米材料與納米元件的性能不只取決于塊體材料的性質(zhì)，而更主要是由材料的表、界面性質(zhì)來決定；為了防止因?yàn)楸砻嫖廴径鴮?dǎo)致的改變與損傷，薄膜材料一般須要放置于真空環(huán)境中。只有在真空度低至10-8Pa的超高真空環(huán)境中，原子級(jí)干凈的表面才可能保持幾個(gè)小時(shí)，因而促使原子層生長(zhǎng)、表面/界面控制和本征性質(zhì)表征成為可能。這也就是為何現(xiàn)代大多科學(xué)技術(shù)的突破都是在超高真空條件才得以實(shí)現(xiàn)。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)榱孔有?yīng)、表界面效應(yīng)，傳統(tǒng)的研究與制造技術(shù)在面向納米材料與元件的時(shí)侯遇見極大挑戰(zhàn)，必須有一種改革性的技術(shù)路線來滿足納米材料與元件對(duì)于表、界面的保護(hù)和調(diào)控，以及對(duì)其本征性質(zhì)的綜合研究與表征；并且，交叉學(xué)科的盛行是未來科技發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，須要有一個(gè)平臺(tái)可以兼容和吸引不同領(lǐng)域、不同事科的科學(xué)家與技術(shù)人員交叉融合共同創(chuàng)新；據(jù)悉，有好多高精尖的設(shè)備可以應(yīng)用于多種課題的研究，開放共享那些高昂的設(shè)備，不但可以提升設(shè)備的借助率，并且可以服務(wù)更多的有須要的用戶。
針對(duì)以上幾方面的需求，納米真空互聯(lián)大裝置（Nano-X）應(yīng)運(yùn)而生。
概況
納米真空互聯(lián)大裝置（Nano-X）由中國(guó)科大學(xué)上海納米技術(shù)與納米仿生研究所建設(shè)，是一個(gè)面向納米領(lǐng)域、真空環(huán)境下集多種功能設(shè)備為一體的互聯(lián)系統(tǒng)，目前主要用于納米薄膜沉積和外延生長(zhǎng)過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)，表、界面剖析，以及后續(xù)元件的制做。如圖1所示，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站是目前世界上規(guī)模最大、功能最全的真空互聯(lián)研制平臺(tái)。
圖1真空互聯(lián)設(shè)備（Nano-X）
圖2所示為納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站一期項(xiàng)目的設(shè)備分布圖。它通過100米長(zhǎng)的超高真空管路將30多個(gè)設(shè)備互聯(lián)上去，產(chǎn)生四個(gè)功能區(qū)。管線內(nèi)有多個(gè)貨車同時(shí)運(yùn)行，每列貨車最多可以裝載3個(gè)樣品或樣品托。實(shí)驗(yàn)樣品利用于軌道貨車可以在真空互聯(lián)管線中傳輸，對(duì)2寸基片或樣品托盤通過磁力桿傳遞才能在腔室和管線之間實(shí)現(xiàn)交互。
圖2通過超高真空管路互聯(lián)的各類不同功能的設(shè)備
為防止在多列貨車之間、小車與傳送桿或球閥之間形成任何碰撞，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)程序的優(yōu)化控制，可以促使多個(gè)貨車在100米的管線內(nèi)快速安全運(yùn)行。在這樣的系統(tǒng)中，材料制備室可以與不同剖析腔室移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)和元件性能的原位表征。
據(jù)悉，不同材料的沉積須要不同的沉積工藝，結(jié)合上去就可以制備出奇特的多層結(jié)構(gòu)樣品。也就是說，在本底真空優(yōu)于2×10-10托的環(huán)境下，新鮮制備的樣品可以從生長(zhǎng)室直接通過真空管路輸送到各個(gè)表征剖析室，進(jìn)而保護(hù)樣品表面免受氧化或與大氣曝露相關(guān)的其他結(jié)構(gòu)或物理變化。
這些系統(tǒng)的另一個(gè)奇特之處就是將關(guān)鍵的工藝設(shè)備升級(jí)到超高真空本底環(huán)境，并與互聯(lián)管線對(duì)接，其中包括多種高純金屬沉積和ICP濕法刻蝕設(shè)備等。通過這些互聯(lián)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米元件的表面和界面進(jìn)行更好地控制與修飾。
目前共有32臺(tái)設(shè)備已然聯(lián)接到實(shí)驗(yàn)站一期項(xiàng)目的“管道”上：6個(gè)超高真空腔室主要用于材料生長(zhǎng)，14個(gè)用于材料剖析表征和12個(gè)用于元件加工。通過管線將這種材料設(shè)備和工藝設(shè)備相結(jié)合，真空互聯(lián)技術(shù)打開了探求各種復(fù)雜和混和體系的原子級(jí)材料生長(zhǎng)控制的房門，以及用于開發(fā)對(duì)表面和界面敏感的納米級(jí)元件的加工技術(shù)的改革性創(chuàng)新。據(jù)悉，該項(xiàng)目與上海納米所的微納加工平臺(tái)密切合作，可以將傳統(tǒng)的超凈間元件工藝與真空互聯(lián)有機(jī)的結(jié)合上去，突破目前在半導(dǎo)體芯片制造過程中的卡手臂關(guān)鍵技術(shù)。
面向?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的開放平臺(tái)
真空互聯(lián)設(shè)施目前主要鼓勵(lì)三種類型的應(yīng)用型研究
1、致力于利用多種設(shè)備進(jìn)行表面和界面本征性質(zhì)剖析與調(diào)控的研究；
2、致力于進(jìn)行新的特定超高真空腔體的設(shè)計(jì)和建造，極大地借助超高真空互聯(lián)環(huán)境與技術(shù)，并可以與其他設(shè)備聯(lián)接；
3、致力于開發(fā)具有“混合型”、“多重材料”生長(zhǎng)功能的新技術(shù)系統(tǒng)。
真空互聯(lián)的技術(shù)方案就是提供具有多功能區(qū)的、通過超高真空管路將相關(guān)設(shè)備互聯(lián)上去的系統(tǒng)，為研究者提供了更多的可能性，可以解決傳統(tǒng)方式和獨(dú)立設(shè)備無法解決的問題。
納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站通過選擇合適的研究團(tuán)隊(duì)，向國(guó)外外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界開放。那些研究團(tuán)隊(duì)可以借助已安裝的設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)，或則將她們自己特有的真空設(shè)備對(duì)接到實(shí)驗(yàn)站的管線上進(jìn)行常年或短期的共享。學(xué)術(shù)委員會(huì)將負(fù)責(zé)執(zhí)行科學(xué)新政和重要合作課題的評(píng)審。實(shí)驗(yàn)站的另外一個(gè)目標(biāo)也是開放和推動(dòng)研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界之間的動(dòng)態(tài)橋梁，以便工程技術(shù)人員與科學(xué)工作者進(jìn)行密切合作。目前早已有越來越多的半導(dǎo)體公司抒發(fā)了對(duì)真空互聯(lián)技術(shù)的需求，拿來作為其在未來智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)的創(chuàng)新材料研制中的一種強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力。
這一開放的裝置歡迎來自中國(guó)和海外的研究團(tuán)隊(duì)在跨學(xué)科領(lǐng)域上進(jìn)行多材料集成、多技術(shù)剖析、以及元件工藝與界面調(diào)控相結(jié)合的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。對(duì)于所有真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的用戶，我們除了提供具有最佳工作狀態(tài)的設(shè)備，并且還在真空管路上設(shè)置了特殊端口，便于用戶聯(lián)接她們自己的特殊設(shè)備，因而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新轉(zhuǎn)移和技術(shù)共享。
支持項(xiàng)目及其進(jìn)展
納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站將主要支持（但不限于）以下研究和開發(fā)項(xiàng)目
1、研究III-V族化合物半導(dǎo)體的材料和元件，以獲得新材料的固有特點(diǎn)和元件加工機(jī)制；
2、利用Nano-X中的半導(dǎo)體加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，研究并開發(fā)可以實(shí)際應(yīng)用的低維、高溫超導(dǎo)元件；
3、研究表面催化和納米能源技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注氣/固界面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；
4、研究?jī)?chǔ)能材料和元件、鋰電池電極的基本特點(diǎn)，以及開發(fā)高效的動(dòng)力電板。
在該項(xiàng)目的規(guī)劃階段，我們就吸引了兩個(gè)重要的核心合作伙伴，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)包信和教授和復(fù)旦學(xué)院副院長(zhǎng)薛其坤教授。她們分別是表面催化和低溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域的杰出科學(xué)家。據(jù)悉，二維材料、量子比特等相關(guān)的研究方向也被列入了實(shí)驗(yàn)站的支撐項(xiàng)目中。所有那些項(xiàng)目除了將重點(diǎn)集中于研制“混合”和“多重材料”體系中的新功能，還致力通過異質(zhì)集成和界面控制來提升元件性能。
上海納米所孫錢研究員和他的團(tuán)隊(duì)也是實(shí)驗(yàn)站的合作伙伴之一，她們?cè)缫验_始在Si基GaNHEMT上舉辦了一系列工作，通過研究和控制界面的缺陷與污染來提高元件性能。南開學(xué)院的董紅院長(zhǎng)是第一位借助實(shí)驗(yàn)站的超高真空環(huán)境將ALD、、XPS等技術(shù)相結(jié)合的用戶，在III-V族化合物MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/柵介質(zhì)層界面進(jìn)行了原子擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究[1]，為探求后摩爾時(shí)代集成電路芯片的創(chuàng)新元件提供了有價(jià)值的指導(dǎo)。
在教育方面，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的構(gòu)建鼓舞了下一代科學(xué)研究者和工程師在材料科學(xué)和設(shè)備創(chuàng)新技術(shù)上的開拓。通過合作研究與技術(shù)培訓(xùn)，可以為納米產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用研究培養(yǎng)數(shù)百名研究生與博士后。這種培訓(xùn)將包括材料的外延生長(zhǎng)與沉積、先進(jìn)的材料剖析表征、器件制造和性能測(cè)試。在這樣一個(gè)科學(xué)技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，真空互聯(lián)大裝置具有推動(dòng)創(chuàng)新的巨大潛力，是下一代材料研究者、工程師和技術(shù)人員進(jìn)行世界級(jí)研究與開發(fā)的一個(gè)先進(jìn)平臺(tái)。
截至目前，在納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站早已有超過100個(gè)用戶課題在舉辦，不僅前文提到的研究者之外，包信和教授團(tuán)隊(duì)[2,3]，陳立桅研究員團(tuán)隊(duì)[4]，美國(guó)院士團(tuán)隊(duì)[5]，張寶順研究員團(tuán)隊(duì)[6]，孫錢研究員團(tuán)隊(duì)[7]，崔錚研究員團(tuán)隊(duì)[8]，劉立偉研究員團(tuán)隊(duì)[9]，等等，也都早已發(fā)表了重要的學(xué)術(shù)成果（詳見后文）。
結(jié)語
其實(shí)，納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)大裝置是目前世界上規(guī)模最大、功能最全的研制平臺(tái)，借助超高真空環(huán)境，將材料生長(zhǎng)、器件制造、表征和測(cè)試等方面的最先進(jìn)功能集成為一個(gè)大系統(tǒng)。其最大的特色是實(shí)現(xiàn)設(shè)備共享、人才共享、思想共享物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備力學(xué)軌道小車，將會(huì)成為一個(gè)學(xué)科交叉的研究與創(chuàng)新高地。
目前，實(shí)驗(yàn)站已完成了3.2億人民幣的投資，近日將獲得不多于3.6億人民幣的二期投資。該項(xiàng)目的總投資預(yù)算為15萬元人民幣，建成后希望能列入國(guó)家大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施序列，成為世界級(jí)納米科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)的開放平臺(tái)，為國(guó)家高技術(shù)戰(zhàn)略提供先進(jìn)技術(shù)支持。
最后物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備力學(xué)軌道小車，我們特別謝謝中國(guó)科大學(xué)，浙江省政府，上海市政府和上海工業(yè)園區(qū)的大力支持；同時(shí)，也特別謝謝中國(guó)科大學(xué)上海納米技術(shù)與納米仿生研究所所有同仁的幫助與支持。
部份相關(guān)成果發(fā)表情況
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本文首發(fā)于《真空》雜志2019年第6期
原文標(biāo)題：納米真空互聯(lián)大裝置（Nano-X）及其應(yīng)用進(jìn)展