【ZiDongHua 之“先进制造业”标注关键词：原子级制造 机器人 集成电路 传感器 】

 

 

　　11月3日至5日，由工业和信息化部指导，原子级制造创新发展联盟、北京市经济和信息化局和怀柔区人民政府主办的原子级制造“院士专家城市行”活动北京站即将启幕。行业知名院士专家、企业将齐聚怀柔科学城，围绕这条通往物质世界底层的制造新赛道，开展研讨、对接与谋划。活动拉开帷幕之前，让我们先走近这项前沿技术，一探“原子级制造”的究竟。

 

　　一、什么是原子级制造？

 

　　原子级制造的起点，可以追溯到1959年。那一年，物理学家费曼在题为《底部大有可为》的演讲中提出设想：人类能否逐个搬动原子，并按照自身意愿将其排列？在那个年代，这一设想仍近似于科学幻想。此后六十余年，沿着这一设想的指引，三次重大技术突破相继涌现，让畅想一步步照进现实。

 

　　第一次是“生长”的突破。上世纪七八十年代，分子束外延技术走向成熟，人类第一次能够以单原子层为精度，一层层生长出高品质晶体材料，支撑起高性能红外传感器，用于夜视仪、导引头等关键产品。

 

　　第二次是“沉积”的突破。2000年以来，原子层沉积技术通过自限制反应实现逐层沉积，一次只铺一层原子，把原子级精度从实验室推向规模化产线，广泛应用于先进芯片和光伏领域，形成数十亿元级市场。

 

　　第三次是“加工”的突破。当前正在加速演进的，是以原子层刻蚀、团簇束流加工为代表的新一代技术。它们能够按需去除、精准放置原子，并与新产品设计深度融合，催生出单原子催化、二维光学晶体、原子级传感器等高附加值产品。

 

　　如今，这项被称为“原子级制造”的技术，正通过对原子的规模化精准操控，将制造过程的可控精度推进至单个原子及其基元（原子团簇、原子层等）的水平，推动人类制造范式从“减材、等材、增材”迈向原子尺度的精准构筑，并加速向先进芯片、量子科技、新材料等前沿领域渗透，开辟出一条通往物质世界底层的制造新赛道。理解这项技术，可以抓住三个关键词。

 

　

 

　　第一个关键词是“原子级尺度”。其空间尺度处于0.1至1纳米（1至10埃）之间，大致对应单个原子的直径或原子间键长，这是连续材料难以继续分割的边界。

 

　　第二个关键词是“两条制造路线”。按照制造方式的不同，一条是“自上而下”的精准去除路线，将材料逐层、逐原子地去除与修形，如原子级抛光、原子层刻蚀；另一条是“自下而上”的精准构筑路线，如同搭建积木般将原子与原子团簇精准组装为产品。

 

　

 

　　第三个关键词是“逼近理论极限”。任何材料均存在性能上限，受杂质、缺陷、界面不平整等因素影响，传统制造的实际性能往往远低于上限；原子级制造则近乎消除这些非理想因素，使性能不断向理论值靠拢。

 

　　需要强调的是，原子级制造并非纳米制造的简单放大。纳米加工仍以连续材料为对象，而原子级制造要求将能量精准限定于目标原子层内，实现“加工一个原子、不损伤相邻原子”，其背后是能量局域化与物质限域控制的原理跨越，难以通过沿用现有纳米工艺简单外推实现。

 

　　二、原子级制造如何实现

 

　　要真正实现规模化的原子级制造，需跨越三道关口：第一步，看得见，即在原子尺度完成原子结构的观测、表征与精准测量；第二步，造得出，按设计意图对原子进行操控与加工；第三步，用得好，让原子级结构转化为逼近理论极限的器件性能。三步环环相扣，构成从科学原理走向产业化产品的完整链条。

 

　　（一）看得见：观测并测量原子

 

　　原子直径仅0.1至0.3纳米，远低于光学显微镜分辨极限，1981年扫描隧道显微镜问世，人类首次得以“看见”单个原子，也能够利用探针实现原子操控。1990年，IBM科学家借助该仪器的针尖把35个氙原子在镍表面排成“IBM”三个字母，首次证明原子可被逐个摆放、按设计排列，费曼的设想由此从理论构想走向可验证的工程探索。但“看见”还须“测准”，球差校正透射电镜已把结构观测推进到亚埃级，超高时空分辨检测则为原子级操控提供动态观测与精确测量支撑。

 

　　（二）造得出：操控与加工原子

 

　　能够“触碰”原子只是起点。以针尖逐个搬动原子的方式，每日可移动的原子数量极为有限，而工业生产需要在整片晶圆上对万亿量级原子实现一致性的精准操控。从单原子操控走向规模化生产，依靠的正是前文提到的两条制造路线。两条路线的落地，都离不开专用装备的支撑：团簇束流装备将不同元素、不同尺寸的原子团簇按设计组合，用于创制新材料；单离子注入技术可将单个掺杂原子精准射入半导体的预定位置，是制造量子比特的关键前沿工艺；微环境控制技术则以接近绝对零度、超高真空的极端稳定环境，为原子操控将干扰因素降至最低。

 

　　（三）用得好：从技术突破到产业价值

 

　　前两步解决“看见”与“造出”，最终价值要落到产品上。一类应用使性能逼近理论极限。航空、航天高速轴承依托原子级抛光与原子层陶瓷涂层实现超滑特性，适配长期免维护场景；原子级修形助力高精度陀螺实现小型化；激光镜片经原子级精加工后，损伤阈值显著提升。另一类应用源于原子级精准调控带来的功能设计能力。单原子催化剂将金属原子锚定于载体表面，理论原子利用率接近100%，在燃料电池、尾气治理等领域应用前景广阔；血管支架表面的可编程纳米储药薄膜可实现长周期精准控释；原子层柔性电子皮肤可用于无感健康监测与机器人感知；芯片级原子钟、低相位噪声晶振则为6G时代的高速同步与自主导航提供支撑。此外，单原子催化大幅削减贵金属用量、原子层刻蚀减少废液产出，也在带动产业绿色转型。

 

　　

 

　　三、北京发展原子级制造的优势

 

　　这场活动，为什么落在北京？答案写在一条清晰的政策轨迹里。2023年9月，北京印发《北京市促进未来产业创新发展实施方案》，系统布局未来产业发展；2025年，原子级制造被纳入全市未来产业版图；2026年1月，《北京市原子级制造创新发展行动计划（2026—2028年）》出台，提出构建国内领先的原子级制造技术创新高地和典型应用标杆。政策接续落地，方向一以贯之。

 

　　支撑这条轨迹的，是全国Z密集的重大科技设施与深厚的科研积累。怀柔科学城坐拥37个重大科技设施，综合极端条件实验装置、高能同步辐射光源等世界级平台，能够提供极低温、强磁场、超高真空等极端实验环境和原子级精密检测能力；中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心、北京大学、清华大学等机构，则在扫描探针显微镜、分子束外延、原子层沉积等核心装备与工艺方向深耕数十年。例如，北京大学自主研发qPlus型光耦合扫描探针显微镜并完成首台商业化样机，国际上首次实现水分子中氢原子的直接成像与定位。依托大科学设施集群布局的原子级制造育新平台，已入选北京市未来产业育新平台，正成为核心技术熟化与企业孵育的载体。

 

　　应用牵引同样有力。对原子级制造而言，产业就是场景，产线就是试验场。北京经济技术开发区出台专项政策，推动原子级刻蚀、埃米级去除等技术与集成电路先进制程、先进封装、高端传感器等领域直接对接，前文提到的两条制造路线，在这里都能找到规模化落地的出口；怀柔科学城深耕高端科学仪器和传感器产业，原子级精密检测与制造能力，就地转化为产品研发和生产的现实支撑。

 

　　11月3日至5日，院士专家们将齐聚怀柔科学城。届时，活动将集中展示我国原子级制造顶层政策发布实施一年来的成果成效，典型应用场景、创新成果发布、技术供需对接等环节，都值得期待。从“看见”一个原子，到“用好”一个原子，这条通往物质世界底层的赛道，正在北京加速铺就。