近日，南京大学宋凤麒教授团队在Materials Futures发表了关于MoS₂器件中电化学插层诱导非线性霍尔效应的最新研究成果（DOI: 10.1088/2752-5724/ae31fa）。长期以来，宋凤麒教授围绕原子团簇器件、拓扑材料量子输运和原子制造开展研究，不断探索原子尺度材料与器件的新机制和新可能。本次采访，我们希望以这项最新成果为切入点，与宋教授一起聊聊原子制造、新型量子材料，以及未来电子器件的发展方向。

宋凤麒

南京大学原子制造研究院院长、物理学院教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者，优秀青年基金获得者，教育部青年长江学者。近年以来作为第一或者通讯作者在含Nature Physics、Nature Nanotechnology Nature Communications、PRL、JACS、Advanced Materials和Nanoletters等的高水平杂志上发表多篇重要工作。主要研究方向：原子制造物质创制科学装置、单原子电子学与器件制造、拓扑物理与原子级器件量子输运、原子团簇束流与原子级加工工艺、原子团簇粉体宏量制造与应用。

Q：宋老师您好，感谢您接受我们的访谈。近年来"原子制造"这个概念越来越受到关注。对于没有专业背景的公众来说，您会如何介绍什么是原子制造？它和传统制造最大的区别是什么？

原子制造是指制造精度达到原子级别的加工与制造，旨在精准地控制、增加或消除原子及其基本构建单元，以构建按需设计的原子尺度功能微结构。

以原子为单位对产品进行调控，如果这种调控对产品的核心性能产生决定性影响，那么该产品就属于原子制造范畴。和传统制造相比，原子制造的特征主要体现在以下三个方面。

A  原子制造的核心基础能力是原子精准操控能力，即指对一个单原子或者原子基元进行可控操作。

由于原子单元的物理性质相较于宏观的晶体具有显著的区别，其物理创新的本质源自这些原子单元的新物性，因此实现对一个原子、一条原子线或者一个原子层的操控，是原子制造的核心特征。

B  原子制造的优势根植于量子特性和颠覆性的性能。

以集成电路的加工为例，传统的微纳制造在微米和纳米尺度上，其晶体管的基本结构和物理规律没有本质不同，并不涉及量子特性，只要不断微缩就可以获得更好的性能。而到了原子尺度，量子特性变得不可忽略，为原子制造微芯片带来无限可能。

C  原子制造采取自下而上与自上而下相结合的工艺路线。

无论是砍一棵树切削木材来构建水车的造型，还是切割硅晶圆到光刻微加工制造晶体管，传统制造都遵循从大到小、逐渐减材的加工流程，都是一种自上而下的制造技术。但原子是目前人类现阶段可直接观测并有效操控的最小单位，原子已不可再进行减材，因此对于原子制造来说显然只能是采取自上而下操控原子与自下而上逐渐增材相结合的工艺路线。例如，我们以原子为出发点，先用原子制造许许多多的原子团簇基元作为积木，再用这些积木来组装全新物性的材料或者搭建出晶体管，进而制造出体积更小、性质更优、种类更多样化的芯片。

Q：很多人觉得，今天的芯片已经非常先进了。为什么科学家还要继续追求更小、更精密的器件？在研究进程中目前遇到了哪些瓶颈？

虽然当前商用芯片的综合性能已经非常成熟，能够满足大部分日常和工业场景的应用需求，但从基础研究和前沿技术发展的角度来看，器件的微型化、精密化探索仍然有非常重要的推进价值。首先，人工智能、高速计算、高精度传感等新兴领域对算力密度、响应速度和能耗效率的需求是持续指数级增长的，传统尺度的器件已经难以支撑下一代超高算力系统的发展。通过进一步缩小器件尺寸、提升结构精度，能够有效缩短电子输运路径、降低器件开关能耗、提升集成密度，从根本上提升芯片的运算效率与能效比。其次，微纳尺度的器件结构能够实现更高的结构可控性和更丰富的电子输运特性，是未来低功耗器件、高灵敏度传感器、新型微电子体系发展的重要基础。因此，我们仍然需要持续推动器件向更小尺度、更高精度方向发展。

但在具体的研究过程中，目前微纳器件的持续迭代面临着非常明确的物理、工艺和材料瓶颈。

当器件尺寸进入纳米尺度并不断逼近物理极限后，量子隧穿效应带来的漏电问题愈发显著，导致器件关态抑制能力下降、静态功耗升高，经典的器件缩放规律逐渐失效。

纳米尺度下器件的几何形貌、界面状态、掺杂分布都会出现显著的随机涨落，造成器件均一性变差、稳定性下降，给大规模集成带来很大挑战。

在工艺层面，超精密光刻、原子级薄膜沉积、高精度刻蚀、多层堆叠结构的制备难度大幅提升，工艺复杂度和制备成本急剧增加，良率难以保证。

除此之外，微缩带来的高集成度会引发严重的热密度升高、互连延迟增大、散热受限等问题，成为制约芯片性能进一步提升的关键瓶颈。整体来看，现阶段器件微缩已经从单纯的工艺迭代，转变为需要结合新物理、新材料、新结构的多维度突破。

Q：您的团队长期研究原子团簇、单分子器件等方向。为什么几十个甚至几个原子组成的小结构，会让科学家如此着迷？

原子分子束流是发展历史最早的具备一定原子尺度操控能力的技术，团簇束流是这一原子操控能力最典型的体现。团簇束流研究一个典型的例子就是足球烯C₆₀的发现。Smalley等人利用激光烧蚀石墨的方法产生了C团簇的束流，在质谱中可以看到非常高的C₆₀的峰。采用类似的路线，人们还发现了金字塔形的Au₂₀和红灯笼形的B₄₀等等有趣结构的人工物质。通过团簇束流原子操控，可以获得大量的新物质，用原子按需搭建制造人工的分子。另一方面，材料结构决定电子结构，而电子结构决定物理性，成千上万种不同组成和构型的团簇具有完全不同的电子结构，因此通过团簇束流研究，可以创造出一批全新物性和全新功能的材料。

FOR EXAMPLE

相对于单原子，团簇形成的材料中电子密度更大，类似于高温超导物理中的范霍夫奇点，因此在团簇中可能存在全新的超导材料，或出现类似超导材料的物理性质。理论计算结果表明，66个铝原子具有198个电子，极有可能是一种电子态密度十分丰富的结构，能形成巨大的超导能隙。

由此可见，通过团簇束流实现精准的物质合成，是可以实现从结构到电子结构，再到实际应用的一种有效途径。

Q：您和团队近期在Materials Futures发表了关于MoS2器件中电化学插层诱导非线性霍尔效应的研究论文（DOI: 10.1088/2752-5724/ae31fa）。这项工作延续了您长期对新型量子材料和电子器件的探索。对于非专业读者来说，这项研究最重要的发现是什么？未来又可能带来哪些新的技术可能性？

该研究最关键的结论在于，电化学插层可以直接对原子层层间距实施调节，进而重构材料晶体对称性，诱发非线性霍尔效应等特殊物理响应。所谓非线性霍尔效应，指沿材料纵向通入交变电流时，体系无需破坏时间反演对称性，即可在横向探测到二倍频霍尔电压，在储能、无线通信、光电探测都有潜在的应用价值。该现象产生的前提是材料体系存在中心反演对称破缺。对于二硫化钼（MoS₂）体系，块体MoS₂具备中心反演对称性，单层MoS₂则天然满足对称破缺条件。基于这一结构特性，通过精准原子层结构设计，利用电化学插层在MoS₂层间引入适量有机分子，有效拓宽层间距，削弱层间范德华耦合，最终打破块体材料本征的中心反演对称。与此同时，插层过程同步实现载流子掺杂注入，有效消除通过电化学插层与金属电极界面的肖特基势垒，最终在该体系中实现室温下可观测的非线性霍尔效应。相较于传统拓扑材料等非线性霍尔效应的复杂方案，电化学插层工艺操作简便、成本可控、兼容性强，无需复杂高精度加工设备，大幅降低了新型功能器件的研发与制备门槛，解决了现有体系制备复杂度高、可拓展性弱、难以室温稳定工作的痛点。同时，该调控体系具备普适性与可设计性，通过替换不同插层客体、精准调控层间耦合与原子层间距，可实现二维材料物性的定制化调控，为低功耗、高集成、多功能微纳电子器件的产业化迭代提供了可复制的技术方案，为新型二维功能材料的工程化应用提供了全新思路。

Q：很多基础研究需要经历很长时间才能真正应用。您觉得原子制造距离改变产业，还有哪些关键问题需要突破？

A  团簇原子制造的产量问题

从需求端看，要想材料学上系统鉴定一种物质的物性，一般需要毫克级的材料，约10¹⁵~10¹⁷个分子，这显然无法满足应用，因此我们依然要努力寻求增大原子制造产额的工艺方法。

B  如何可靠地设计颠覆性的器件与材料

虽然原子制造产品产量低，但往往可以突破传统，具有极大的应用价值，因此应继续从全新的产品设计方向寻求突破，实现以少量产品创造大量价值的目的。

C  原子制造与原子制造产品的检测表征问题

具有高空间分辨、高时间分辨、高性能分辨的检测技术是发展原子制造技术的基础能力。

D  原子制造产品的设计、生产与检测的设备设施同样也是重中之重

对于一条产业而言，设备往往在整个产业链中扮演非常重要的角色，我们不能让半导体芯片领域高端装备的“卡脖子”问题再复制到原子制造领域。

Q：您长期开展原子制造和新型量子材料研究。这些工作既探索未知规律，也面向未来技术。您认为，今天的基础研究应该如何更好地回应未来科技发展的需求？

基础研究是未来技术的源头供给，但基础探索不能简单地直奔应用目标，需要在自由探索与需求牵引之间找到平衡。一方面，我们不能短视地用短期产业化标准衡量基础研究价值。另一方面，面向未来科技需求的基础研究，也需要主动建立与重大技术难题的对话通道。

我们在实验室开展原子层级精准调控时，可以有意识地对标微电子、量子信息等领域真实存在的技术瓶颈，把产业与工程端提出的关键难题转化为基础科学问题。以原子制造为例，芯片器件逼近尺寸极限后，人们迫切需要全新材料体系、全新调控思路，这就要求基础研究不再只满足于发现新现象，还要进一步厘清“结构—物性—器件性能”之间的关联，建立可复现、可拓展的原子精准制备方案，为器件工程化提供可行路径。除此之外，打通基础研究走向技术应用，还需要科研范式的调整。鼓励跨学科协同，培养既懂基础机理又了解器件工程需求的研究人员十分关键。长远来看，基础研究既要保留允许长期试错、支持冷门方向自由探索的土壤；也要建立长效机制，让前沿科学发现能够顺畅对接未来技术赛道，真正实现从认识自然规律走向利用规律。

Q：近年来，"原子制造"逐渐从一个科研概念发展为一个交叉学科方向。您觉得，一个新学科真正成熟，需要哪些关键条件？

一个新学科成熟，需要形成成熟的、系统的理论和技术体系。对于“原子制造”，我们一方面需要重点关注物理丰富的表界面原子制造基础理论，为原子制造的发展提供系统支撑；另一方面也要关注通用物质制备关键技术的发展，为新物质创制提供核心技术支持。从微纳制造的角度看，原子制造是一个崭新的起点，未来若能获得全面发展，将超越当前单个原子和单层原子的单自由度操控，实现对复杂多维、动态和智能物质的精准操控，开创全新制造时代。因此，必须加强对原子尺度物质科学的基础研究，以确保我国在未来原子制造的深入发展中保持竞争优势。

Q：一路走来，是什么一直支撑着您坚持探索这些前沿领域？有没有哪一次科研经历，让您至今印象深刻？

长久坚守前沿研究，一是源于课题本身的挑战性：我们操控微观原子，却要实现宏观批量制备，微观的不确定性和工艺所需的高度一致性存在矛盾，持续化解这类跨尺度难题，充满探索价值。二是看好该方向的发展潜力，原子尺度的精准构筑能够从底层突破现有微纳加工的技术壁垒，一旦相关技术实现落地转化，会给物质合成和精密制造带来范式级变革，这份面向国家前沿技术需求的价值感，也是长久坚持下来的重要底气。令我记忆很深的一次经历恰逢春节，为解决原子制造的关键技术难题，团队成员和来自物理所、化学所、同济、吉大等多家合作单位的科研人员在实验室共同商讨实验方案。所有人凝心聚力、分工配合的画面，不仅顺利推进了研究进度，这份科研同行的凝聚力，也成为科研路上很珍贵的一段记忆。

Q：如果说工业革命改变了人类制造世界的方式，那么您认为"原子制造"有可能开启怎样的新阶段？它最大的意义究竟是什么？

我们今天为什么要谈原子制造？一个基本观点是我们国家的科技实力相比西方国家仍然有较大的差距。比如说如今在半导体芯片领域我国被卡脖子的问题，我们国家接触物理比西方国家晚，半导体物理的研究比西方国家晚，集成电路的研究同样地比西方国家晚，所以对于如今半导体芯片领域的短板，某种意义上来讲也是有其历史原因的。而对于原子制造来讲，1982年，人类第一次看见并且操控单个原子，而我国也很快取得相关进展，此后原子制造才成为可能。恰逢改革开放，中国积累了大量的人才和技术，中国科学家进行了一些基础的科学研究，科学且系统的积累了相关的知识与经验。因此，从科学基础的角度来讲的话，中国和西方国家是属于同时发展，同时竞争的状态，我们具有很大的机会实现在原子制造领域与世界上主要的科技大国之间的并跑甚至是领跑。原子制造作为一种新兴技术，根植于基础研究的技术积累，提供前所未有的丰富的人工新材料、与性能数量级提升的芯片，应用领域涉及到逻辑、光电、传感、存储、超导、催化、储能、电磁波、量子模拟等多个方面。那么站在原子制造能看到多远？我们站在当今的微纳时代，感觉到原子制造是个终点，但是也许等到原子制造，才发现这是个起点。

Q：假如二十年后，一位年轻科研工作者因为今天的一项研究而取得新的突破，您最希望他继续回答哪个科学问题？

如果二十年后的青年学者能在我们今天的工作基础上做出突破，我最希望他们真正解决的问题是：如何解决原子制造中原子的不确定性和制造所需的一致性相矛盾的问题。面向实际应用，规模化原子制造要求体系的原子排布、层间结构、界面状态保持高度规整统一，保障制备结果稳定可复现；但微观粒子与生俱来存在涨落，两种属性天然对立，长久阻碍着原子制造技术的迭代落地。我们亟需建立完备的高熵精准调控方案，对高复杂度的多原子体系实现有效控制，以此抹平微观尺度的无序波动，最终达成原子层级结构均匀、工艺可重复的大规模原子制备目标，这也是整个原子制造领域贯穿始终的终极科学问题。

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