原子层制造的研究现状与科学挑战

原子层制造是指加工精度达到原子层量级的可控制造技术,包括原子层去除、添加、迁移等。针对信息、能源、航空航天等领域核心零部件超高性能构建的发展需求,通过原子层可控去除制造全频段原子级精度无损表面,并结合原子层增材制造原子级新结构,有望实现特殊功能的有效创成,保证超高性能的安全可靠。另外,后摩尔时代先进芯片的制造工艺将迈入亚纳米物理极限,原子层制造需求贯穿芯片制造工艺的全流程。本文阐述了原子层制造技术的发展需求与研究进展,围绕原子层抛光、原子层沉积/刻蚀、原子层损伤控制、原子层工艺与装备等领域,梳理了原子层制造的发展方向及研究目标,凝练了原子层制造领域未来的关键科学问题及面临的挑战,探讨了前沿研究方向和发展战略。

原子级制造的关键基础科学问题

人类的制造技术逐步向原子级推进,原子作为化学反应中的最小粒子,虽然它可以分成更小的原子核、电子等,但是从制造的角度看,原子级制造可以说是人类制造的最底层技术,也是继微纳制造之后新的制造范式,可将制造精度以及产品性能推向极致水平,代表着人类对物质世界认知和制造能力发展的新阶段,是引领未来产业变革发展的战略性技术,也是保障国家安全和推动国计民生重大装备跨代升级的重要前沿方向。本文基于第330期双清论坛总结了原子级制造的研究现状、发展趋势及机遇挑战,凝练出未来5~10年原子级制造的焦点问题和亟需解决的关键科学问题,探讨了相关领域的前沿发展方向和科学基金资助战略。

原子精度制造新原理和新方法

目前航空航天、核物理、微电子、光电子和半导体等国家战略领域高性能装备的性能需求日渐严苛,核心零部件的制造精度必须迈进原子级水平,亟需研究原子精度的高性能制造新原理和新方法。本文归纳并提出了目前迫切需求的原子级表面精度、原子级结构精度、原子级损伤控制以及原子级特征尺寸结构创成四大原子精度制造核心能力,从能场辅助原子级切削、多能场辅助原子有序排布、表面能弱化原子精度材料去除以及超光学衍射极限的原子精度制造四大方向进行系统梳理,介绍了面向不同应用场景的原子精度制造新原理和新方法的研究现状,并概述了各类方法的优势和缺点,从中提炼出多能场耦合条件下的能量和原子间相互作用机理这一关键科学问题,并从四大方向上对未来我国原子级制造的基础研究提出了建议。

原子级制造测量与表征研究现状综述

原子级制造是指将能量作用于原子,通过原子级材料的可控去除或者原子/分子级结构的大规模操控及组装,实现产品性能与功能跃迁的前沿制造技术,是一种可以大规模、批量化的先进制造技术。该过程需要在10-10m空间尺度下精确操控原子。同时,制造过程中原子的键合时间、电子动力学变化均发生在飞秒(10-15s)至阿秒(10-18s)量级。因此,只有具备超快时间和空间分辨在线检测与表征能力,才能够深入了解并利用原子级制造过程中原子尺度的新原理、新效应,保障原子级制造的可达性与可控性;只有实现原子级制造过程的高通量、大范围的在线监测,才能保障原子级制造的可靠性。基于此,原子级制造的测量与表征是指在原子级的时间、空间、能量尺度上对材料、结构或器件进行精确的测量和表征,以保障原子级制造的可达性、可控性与可靠性。本文介绍了原子级制造所需的测量表征手段的研究现状,从原子级超快动力学过程观测、原子结构演变原位表征、原子级制造过程在线质量监测三大方向进行系统梳理,总结了目前原子级制造测量与表征的挑战并针对未来发展给出建议。

高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与4-5循环跃迁线共振的激光进行检测。介绍了此方案的物理系统、光学系统和电路系统。进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积4U,稳定度达到4×10^(-13)@100 s,4.5×10^(-14)@10000 s,2.2×10^(-14)@1 d,优于可搬运铯钟典型产品5071A优质型。将此方案与磁选态磁检测铯原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。最后介绍了两种针对磁选态光检测铯钟的可行性改善,一种为采用3-2循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升稳定度指标至稳定度低于3×10^(-13)@100 s。

原子热运动对电场量子测量的影响及修正方法

基于里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应的电场量子测量方法,能够突破传统基于电学原理、光学原理测量法在测量精度和灵敏度上的极限,并且具有自校准性。采用热里德堡原子进行测量具有工程应用的便捷性,但是原子热运动形成的多普勒效应会导致EIT谱峰发生频移和形变,混淆电场对原子的相干效应,从而影响电场测量精度。基于激光、电场与原子的作用机理,以及原子热力学,该文提出通过调整探测光和耦合光频率,修正原子热运动对电场量子测量影响的方法。首先,假设里德堡原子静止不动,建立和求解密度矩阵方程,描述双光子阶梯型三能级系统的EIT光谱;然后,引入温度与原子运动数学关系,将温度造成的原子热运动多普勒影响量化为探测光和耦合光频率失谐量,通过修正探测光和耦合光的频率来抵消该影响。仿真实验表明,该文提出的修正方法效果良好,该研究有利于推进基于里德堡原子电场量子测量的实用化进程。

原子精密电催化剂的制备

在各种阴极氧还原反应(ORR)的催化剂中,原子精密电催化剂(包括单原子、双原子和多原子团簇)因较高的原子利用效率和优异的催化性能,受到人们的关注。但ORR过程非常缓慢,阻碍了燃料电池作为下一代绿色能源设备的商业化。因此,开发高性能、低成本的ORR电催化剂,提高燃料电池的能量转换效率非常迫切。为了提高ORR的性能,研究者展开了大量的研究,以微调它们的结构和识别活性位点。本文对目前原子精密电催化剂的合成策略以及相关的设计进行了总结。

54个原子扭成迄今最小最紧密的结

加拿大西安大略大学研究人员让由54个金、碳和磷原子扭成的原子链交叉3次,形成了迄今已知最小最紧密的结。这个结可帮助科学家了解生物系统中的结是如何形成的。相关研究论文发表于新一期《自然·通讯》杂志上。数学家对结的研究已持续几个世纪,但直到20世纪80年代末,才首次制造出由缠绕的原子链制成的结。此后,科学家也证明这些结拥有有趣的特性,比如像乐高积木一样有可完美组合的结构等。此前已知最小的结是由69个原子组成的链交叉3次形成的。

“中心原子杂化类型”的判断四法

判断分子或离子中的中心原子杂化类型可用价层电子对数法、等电子体法、π键数目法和碳原子相连原子(或原子团)数目法。鉴于此通过举例说明了这4种方法的应用。一、有关价层电子对数法若中心原子的价层电子对数为4,其杂化类型为sp^(3)杂化.

基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段,GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值,本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展,综述了近年来原子天线技术的发展趋势,概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理,并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

里德伯原子幻零波长

原子极化率反映其对外场的响应特性,动态极化率等于零的外场波长称为零极化或幻零(tune-out)波长.里德伯原子的tune-out波长计算较为困难,本文设计室温气室里德伯原子测量装置,基于调幅电磁感应透明(amplitude modulation electromagnetically induced transparency,AM-EIT)光谱技术实现tune-out波长测量.实验采用双光子级联激发制备铯原子里德伯态,利用阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态检测;通过微波频率连续扫描测量里德伯原子AM-EIT信号;在tune-out波长处,邻近耦合能级对目标里德伯态的动态极化为零,原子动态Stark效应相消,AM-EIT信号极弱.我们建立简化三能级模型计算tune-out波长,理论与实验结果基本符合.

氦气渗透导致铷原子钟频率漂移的计算与分析

氦气渗透导致的铷原子钟吸收泡内铷原子与氦气碰撞频移发生变化,从而影响铷原子钟频率漂移率.为了量化分析这一影响,选取厚度为1 mm,直径为1.8 cm,长为1.6 cm,工作温度为65℃的圆柱型玻璃气泡为例,通过数值方法模拟了派热克斯玻璃(Pyrex,康宁7740)与低氦渗透的铝硅酸盐玻璃(ASG,康宁1720)原子气泡内氦气压随时间的变化规律.计算结果显示,对于Pyrex气泡,铷原子钟工作约12年后,氦渗透致频率漂移率降低至<1.0×10^(-14)/天;而ASG气泡铷原子钟在其寿命期间内的氦渗透致频率漂移率始终<3.0×10^(-17)/天,其对铷原子钟漂移率的贡献可忽略不计.该计算方法同样适用于其它种类气体在不同玻璃材料的渗透过程研究.

基于里德堡原子的无线电技术研究进展

近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。对基于里德堡原子的无线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。

锐钛矿型TiO_(2)负载Ni单原子用于催化丙烷脱氢

丙烯市场需求日益增长,丙烷脱氢(PDH)被认为是最有前途的丙烯定向生产技术之一.作为PDH商业催化剂,贵金属Pt的高成本和CrO_(x)基催化剂的毒性使它们的发展受到限制.镍基催化剂因具有廉价、环保的特点,在多种催化反应的应用中引起了研究人员的广泛关注.然而,镍在高温烷烃脱氢反应中的应用较少,目前,保持反应中镍(II)物种的稳定存在仍然是镍基PDH催化剂的主要挑战.近来,单原子催化剂(SAC)在烷烃碳氢键活化过程中表现出优异的催化性能,具有较好的丙烯选择性和出色的稳定性.当镍以单个原子的形式分散在载体上时,它更有可能以带正电的状态存在,但金属单原子的稳定存在是具有挑战性的.本文以锐钛矿型的二氧化钛为载体,采用等体积浸渍法分别制备了0.05 wt%载量的单个原子分散的催化剂(Ni SAC,Ni_(1)/A-TiO_(2))和5 wt%载量的纳米颗粒(NP)催化剂(Ni_(NP)/A-TiO_(2)).结合球差电镜、原位漫反射傅里叶变换红外光谱和X射线吸收光谱等表征结果表明,Ni SAC催化剂主要含有单个Ni原子,以Ni(II)价态孤立地分散在载体上,而Ni_(NP)/A-TiO_(2)催化剂中的Ni物种主要以纳米粒子(1±0.2 nm)的形式存在.在580℃的PDH反应中,Ni_(1)/A-TiO_(2)催化剂表现出较好的本征活性和丙烯选择性,而且比相应的Ni NPs催化剂具有更好的抗积炭稳定性,在Ni_(1)/A-TiO_(2)上得到的丙烯产率约为1.96 molC_(3)H_(6)gNi^(-1)h^(-1),超过NiNP/A-TiO_(2)样品(0.03 molC_(3)H_(6)gNi^(-1)h^(-1))的65倍,Ni SAC催化剂的丙烯时空收率(STYC_(3)H_(6))约为0.2 kg h^(-1) kg_(cat)^(-1),与文献报道的大部分非贵金属催化剂STY值相当(0.02-0.3 kg h^(-1) kg_(cat)^(-1)).还原后的TiO_(2)载体因具有丰富的氧空位(OVs)和配位不饱和的Ti^(3+)表现出一定的活性,而Ni SAC得到了更高的丙烷转化率,但Ni单原子的引入并没有增加OVs和Ti^(3+)的浓度,Ni单原子催化剂的活化能低于纯载体,说明两者的活性位不同.此外,在还原条件下,由于Ni NPs与TiO_(2)载体之间的强相互作用,Ni NPs位点被TiO_(x)覆盖层(~2 nm)包裹,从而显示出较差的反应活性.综上所述,本文报道了Ni单原子催化剂在丙烷直接脱氢反应中比相应的Ni NP催化剂表现出更好的反应性能,体现了具有孤立活性位点的单原子催化剂在丙烷脱氢反应中的优势,为今后探究可用于丙烷脱氢反应的单原子催化剂的制备和应用提供参考.

高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光光谱法测定富硒大豆中硒代氨基酸的含量

取0.1 g脱脂后富硒大豆样品于离心管中,用5 mL pH 7.5的130 mmol·L^(-1)三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸缓冲液超声振荡30 min,用15 mg链霉蛋白酶于37℃振荡酶解5 h,离心后取上清液,过0.22μm尼龙有机滤膜。滤液中的硒代半胱氨酸(SeCys)、硒代蛋氨酸(SeMet)、甲基硒代半胱氨酸(MeSeCys)在Agela MP-C_(18)色谱柱上分离,以含2%(体积分数)甲醇和0.5 mmol·L^(-1)四丁基溴化铵的40 mmol·L^(-1)磷酸氢二铵溶液(pH 7.0)进行等度洗脱,并采用氢化物发生-原子荧光光谱法测定3种硒代氨基酸的含量。结果表明,3种硒代氨基酸在7 min内可以实现基线分离,标准曲线的线性范围均为5~100μg·L^(-1),检出限依次为0.086,0.075,0.047 mg·kg^(-1)。按照标准加入法进行回收试验,回收率为85.5%~103%,测定值的相对标准偏差(n=7)不大于3.0%。方法用于分析富硒大豆中的硒代氨基酸,大豆中硒赋存形态多为SeMet,含量占总硒量的85.5%~94.5%。

冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展

光学原子钟的稳定度和不确定度都已全面进入小数10-18量级,是目前最精密的时间频率测量工具之一。光学原子钟已在精密测量和基础物理研究等尖端科研领域展现出潜力,并有望重新定义时间单位“秒”。镱原子光钟因其独特的能级优势而成为了目前世界上发展最成熟、研究最广泛的光钟之一。镱原子钟跃迁的绝对频率测量和镱原子相关跃迁光谱的精密测量具有重要意义。综述了冷镱原子光钟的钟跃迁6s 21 S 0-6s6p 3P 0能级绝对频率测量的国内外进展,并介绍以7.3×10^(-16)的不确定度测量镱原子钟跃迁绝对频率的实验,测量值为518295836590863.30±0.38 Hz。综述了利用已完成绝对频率测量的镱原子光钟为基准,对镱原子的649,770和1389 nm抽运光的对应跃迁绝对频率进行精密测量的结果。

单原子修饰原子簇的多配位Cu基催化剂上CO_(2)高选择性电还原CO的研究

随着可再生能源发电成本的持续下降和电催化技术的迅猛发展,人们开始重新审视能源燃料和化学品的生产方式.近年来,H2O和CO_(2)等小分子的电催化转化反应已成为研究热点.特别是,CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)作为将CO_(2)电化学还原为高附加值产品的一项变革性的技术,备受关注.在CO_(2)RR的众多产物中,CO具有重要的地位,它可以通过费托合成工艺直接用于合成醇、醛、酮、酸及烃等化工产品.然而,将CO_(2)电催化转化为CO在整体效率方面仍面临诸多挑战.因此,设计并制备高效、经济且耐用的电催化剂已成为CO_(2)RR领域发展的研究重点.本文采用简单的配体辅助负载策略制备了铜单原子修饰的铜原子簇催化剂(Cu SA/ACs).球差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜结果表明,铜以单原子和原子簇的形式存在.采用X射线吸收精细结构谱和X射线光电子能谱(XPS)分析了铜原子的电子和配位结构,证明了Cu-N键和Cu-Cu键的存在.电化学性能测试表明,与铜单原子催化剂(Cu SACs)相比,Cu SA/ACs催化剂展现了较好的CO_(2)RR性能,其CO的转化法拉第效率从27.15%提高到98.94%,电流密度是Cu SACs的3.6倍.此外,将该催化剂组装成流动电解池,在600 mA cm-2的高电流密度下,CO选择性达到93.06%,阴极的最高能量效率达61.9%,优于大多数CO_(2)还原制备CO的催化剂.为了明确铜单原子组分引入对铜原子簇性能提升的原因,通过电化学原位红外光谱研究催化剂在服役条件下的表面物种吸附.结果表明,Cu SACs催化剂的单原子活性中心在CO_(2)RR过程中受到H2析出反应的困扰,活性中心表面的吸附物种主要为H2O而不是CO_(2),从而导致CO_(2)还原性能较差;在Cu SA/ACs催化剂表面,其活性中心由单原子和原子簇协同组成,CO_(2)主要吸附在原子簇上,单原子和原子簇协同作用促进了H2O的解离过程,为CO_(2)质子化提供丰富的活性氢,进一步加快CO_(2)RR的反应动力学.密度泛函计算和差分电荷密度分析结果表明,单原子的引入优化了原子簇的局域电子结构,诱导d带中心靠近费米能级,从而优化了*COOH中间体的形成能和CO的脱附过程.综上,本文通过合理的活性位点设计实现了多位点的耦合协同,提升了铜基催化剂对于CO_(2)RR的催化活性,优化了铜基催化剂上CO_(2)到CO的选择性,通过机理研究加深了对铜基催化剂上CO_(2)转化模式的认识,为设计高效催化剂提供新思路.

双层单原子催化剂用于促进高活性和选择性电催化硝酸盐还原制氨

高效、高选择性的单原子催化剂(SACs)在电催化硝酸盐还原制氨过程中具有重要作用。然而,由于中间体、金属活性中心和配位环境之间复杂的竞争性电子相互作用,仍然面临挑战。本研究采用密度泛函理论(DFT)计算,对27种SACs以及双层SACs(BSACs)进行了系统研究,通过轴向d-d轨道杂化提高了从SACs到BSACs的电催化硝酸盐还原反应(NO_(3)RR)的活性和选择性。考虑到可能的O端、N端、NO端和NO二聚体途径,计算结果显示,在单层SACs中,Ti-Pc和V-Pc分别具有优异的极限电位(U_(L)),分别为-0.24和-0.48V。形成能、溶解势以及从头算分子动力学结果表明,在反应条件下,这些催化剂非常稳定。在这些单层TM-Pc中,它们的d带能级和占据数受到d_(xz)/d^(yz)和p_(z)轨道杂化的影响。其轴向d_(z^(2))轨道的可用性通过形成d_(z^(2))-d_(z^(2))相互作用来进一步调整d带和反应性。在此基础上,以Ti-Pc和V-Pc为底物,通过形成轴向d-d轨道杂化来构建BSACs,为调节NO_(3)RR催化性能提供了一种独特的新途径。重要的是,我们发现d带中心(εd)、d_(xz)+d_(yz)轨道的占据数和U_(L)之间存在二维火山关系,用于描述它们的NO_(3)RR催化性能。最佳的BSACs应该同时具备适当的ε_(d)和d_(xz)+d_(yz)占用数。Ti-Mo和Ti-Ta被确定为出色的NO_(3)RR催化剂,其U_(L)均降低至-0.13 V。而d_(z^(2))-d_(z^(2))轨道之间的杂化则增强了双层金属之间的电荷转移和结构稳定性。缺乏相邻的金属位点将导致生成NO_(2)、NO和N_(2)的能垒较高,从而抑制副产物生成。最终,本研究揭示了在SACs和BSACs上对硝酸盐还原进行合理优化的方法,可为改进电催化剂的设计提供指导。

用于量子微波接收机的原子气室探头RCS分析

基于里德堡原子的量子微波接收机具有超宽带、高灵敏度等显著优点,在雷达探测、信号侦察等电磁对抗领域具有巨大的应用潜力。经典的微波接收机采用金属天线作为传感器探头,而量子微波接收机的传感器探头是一个全介质的原子气室。文中对原子气室探头的雷达散射截面积(RCS)进行分析,通过将原子气室与经典的微带贴片天线进行仿真对比,展示了原子气室探头在2 GHz~18 GHz的宽频带内具有更低的RCS。此外,还对影响原子气室RCS的主要因素(结构、尺寸、相对介电常数等)进行仿真分析,给出了低RCS原子气室的参数选取基本原则。

原子吸收光谱法测定苦瓜中微量金属元素的含量

用微波消解法对苦瓜进行预处理,采用火焰原子吸收光谱法测定了苦瓜中钙、镁、铁、锌四种微量金属元素的含量。在最佳条件下测得苦瓜中各金属元素的含量分别为Ca:3843.50μg/g,Mg:2545.492μg/g,Fe:93.3415μg/g,Zn:77.685μg/g;RSD为0.19%~0.85%;检出限为0.0020μg·mL^(-1)~0.0703μg·mL^(-1);相关系数为0.9927~0.9997;加标回收率为94.60%~102.92%,此方法简单、快捷、经济、有效。