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陳蓉：與原子共舞 | 探索者

2022/08/05
導讀
底部的世界大有可為，陳蓉堅信這一點
    
8.5
知識分子The Intellectual

陳蓉，華中科技大學教授，2021年 “科學探索獎” 先進制造領域獲獎人。

獲獎理由：肯定她在原子制造的高精度定位、一致性和高效率方面的貢獻，支持她在集成電路先進制程的原子尺度協(xié)同制造方向進行探索。


編者按


陳蓉所從事的先進制造，或者納米科技，是僅存在于毫米的百萬分之一里。騰挪在原子的微小空間，肉眼不可見，手指觸不著，其如何斑駁絢爛、光怪陸離，多數(shù)時候只能靠腦袋去想、去猜。甚至光想還不夠，作為實驗科學家，難的地方還在于要實現(xiàn)精準的操控。可讓原子乖乖聽話，哪那么容易。在如何把一件事做到極致方面，陳蓉應該是比較有發(fā)言權的。她的做事風格，用一個詞形容，就是精益求精。追求極致的道路可以是永無止境的，但另一方面，作為技術專家和政策建言者，懂得尊重自然和經(jīng)濟規(guī)律的限制，又體現(xiàn)了她實事求是、腳踏實地的一面。


撰文 | 邸利會

責編 | 錢煒


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科學之外，旅游是陳蓉為數(shù)不多的愛好。博士畢業(yè)不久的一個夏天，她曾來到阿拉斯加，目睹巨大的冰山在面前崩裂、翻轉，沉入大海，掀起的巨浪差點把乘坐的小舟打翻；她也曾游蕩在四下無人的荒蠻之地，近距離與體型碩大的黑熊四目相對 ......

“人類在自然面前確實很渺小?！?回憶起這些有趣的經(jīng)歷，陳蓉對我說。

這種對宏大自然力量的敬畏，與陳蓉的科研工作——對物質最小單元的精準操控，形成有趣的對照。在實驗室里，她所沉浸的是另一個斑斕的世界。這個世界是如此的小，只有毫米的百萬分之一，卻也足夠地大，別有一番洞天。

圖1 2007年陳蓉在阿拉斯加，將身體隱藏在散落的冰塊后面 | 受訪者供圖



1


底部的世界

無論是演講，還是講課，陳蓉喜歡引用物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）的著名演講——“There’s Plenty of Room at the Bottom” 作為開場。這句英文意譯過來也可以是，“底部的世界大有可為” 。

早在斯坦福讀書時，陳蓉就知道，她的碩士導師 R. Fabian Pease 在1985年和學生將英國作家狄更斯《雙城記》的第一頁，用電子束縮小1/25,000后，刻到了200x200平方微米的塑料上。這種密度大概相當于在一個針尖上打印出了大英百科全書。

當然，除了 “刻” 以外，費曼在演講中還預見了另一種制造模式—— “長”。簡單說，就是讓原子自下向上的生長，如同搭積木那樣。這也是陳蓉20多年來所潛心研究的問題。

“費曼教授的核心觀點是，一個個原子的制造并不違反物理原則，理論上是可以做得到的?！?陳蓉向我解釋道。

20年前，她和博士導師 Stacey F. Bent 教授開始探索、發(fā)展名為 “原子層沉積”（atomic layer deposition, ALD）的制造技術。作為一種逐層添加原子的高精度薄膜制造方法，ALD可以作為 “自下而上” 原子制造的代表，在芯片制造、柔性電子、電池、尾氣催化等方面均有應用。

博士畢業(yè)在英特爾待了幾年后，2011年，陳蓉回到了位于武漢的華中科技大學，組建了新的實驗室和研究組。如今，在幾百平米的潔凈間里，擺放著各種 “奇形怪狀” 的儀器設備。這些都是她回國后帶領學生一起搭建的。這里也是他們與原子 “共舞” 的試驗場。

圖2 陳蓉在操控精密的原子層沉積相關設備儀器 | 受訪者供圖


向我解釋 “原子層沉積” 這個概念，陳蓉頗費了一番周折。

根本的困難在于，我們?nèi)粘Ｉ罱佑|到的事物，都處在宏觀的世界里。從宏觀到微觀，不只是縮小幾百萬倍那么簡單，更重要的是，主宰其中的物理規(guī)律變成了與牛頓力學迥然有別的量子力學。

“中間最難的地方就是要想辦法通過我們的這些調(diào)控建立起微觀和宏觀之間的聯(lián)系。最后其實難的，我覺得也就是這一點?！?陳蓉解釋說。

在原子層沉積中，表面究竟發(fā)生了什么，絕不可能用肉眼看到，只能通過這些儀器看到宏觀的平均的 “表象”，如果和腦子設想的場景不符，再想辦法用宏觀的辦法去解決。 所以，如果說專業(yè)人士都需要透過由各種光電信號組成的重重迷霧才能看到究竟發(fā)生了什么，像我這樣的行外人士，參觀實驗室變成了某種意義上的“走馬觀花”。

如果非要用宏觀的想象來描述 “原子層沉積”，陳蓉讓我從想象下了一場雨開始。

“雨滴落到路面上，就形成了一層水膜。但下雨的時候可能有雷暴，還會帶下來一些灰塵。所有這些周圍的環(huán)境，如電磁場、灰塵、水汽等，都會影響到最后膜的質量?！?陳蓉說。

但這樣的描述，依然有不夠確切之處——

首先，“原子層沉積” 是氣固反應，是氣體而不是液態(tài)水珠落在表面上；其次，不像其他薄膜技術，不管有多少氣體都會落上去，“原子層沉積”一次最多落一層，多余的會被清理掉，需要更換另外一種氣體再落一層。如此交替反復之下，一層層地摞，一層層地長，最后形成或薄或厚的膜。薄的可以只是一層的原子，厚的可以達到10層以上。

在物體的表面生長原子看似簡單，精妙之處在于操控——讓原子在設定的區(qū)域生長而不是亂長。比如，想象你可以控制雨滴，讓它們落在一片樹葉的背面、邊緣，而不是正面；或者，在屋檐之下形成一條涇渭分明的分割線，將濕的區(qū)域和干的區(qū)域截然分開，而不是像通常看到的那樣，存在 “干濕交匯” 的過渡帶。

“讓原子在一個區(qū)域長，旁邊的區(qū)域不長，這個分界的邊緣要盡量清晰，我們希望能達到一個納米。1納米是非常高的指標，國際上都沒有太好的解決辦法。” 華中科技大學機械科學與工程學院的曹坤副教授說。如果按照硅原子0.2納米的直徑，1納米的過渡區(qū)大概能容納五六個原子。

要達到如此精密的操控，需要精益求精。曹坤曾是陳蓉的博士生，在他的印象里，導師對細節(jié)的要求非常高，與此同時，她總是充滿能量而不知疲倦。

“我讀博士的時候，我們經(jīng)常工作到10點半以后，有時候是12點以后?？傻诙欤辉缇蛠韺嶒炇伊?，我們是8點半，她7點多就到了……有那么一兩次項目答辯時間很緊，估計也是熬夜通宵，我聽學院的老師說，有一次開會的時候，她就暈倒了。但她平時精力都是挺充沛的那種，很少表現(xiàn)出疲倦。” 曹坤說。


2


久久為功
從美國硅谷回到武漢“光谷”，在學界、產(chǎn)業(yè)界浸潤多年的陳蓉，很樂于分享自己對于技術乃至產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法。

她認為，追逐技術的極限看似無止境，但并非沒有限制。很多時候，她喜歡從第一性原理出發(fā)來思考問題——

“晶體管再小， 最終也會受到電子速度限制，而電子的速度不可能跨過光速，光是每秒約30萬公里；我們這個技術最后能夠操縱的東西不可能再小，最多到單個原子為止；第三個極限，做這件事的經(jīng)濟成本，如果消費者負擔不起，那也走到了盡頭。”

圖3 陳蓉和學生在實驗室，觀察實驗的信號 | 受訪者供圖


從這些基本的層面考慮問題，可以避免單向度的思維，進而做到既不盲目自大，也不妄自菲薄。陳蓉常被問到的一個問題是，中國都能造原子彈了，集成電路怎么會有那么難？對于背后推動集成電路發(fā)展的力量，普通民眾的理解往往不夠全面。

“集成電路發(fā)展遵循的定律是摩爾定律，我們知道它并不是一個物理上的定理，它實際上是一個經(jīng)濟學的預言。我們看到芯片做的越來越小，性能更高，但同樣的，它還更加便宜。過去70年，集成電路產(chǎn)業(yè)以驚人的速度增長，其背后的驅動力一定是經(jīng)濟學規(guī)律再迫使它往前走。并不是說一個東西做出來就好了，還要經(jīng)過各方面的調(diào)試，不僅效果要好，成本還不能高，否則不能產(chǎn)生足夠的效益，也就無法形成一個正向可持續(xù)的推動力。我覺得這是最大的問題?！?陳蓉說。

在她看來，不管是在哪里，技術的發(fā)展有其難以違背的規(guī)律——技術的發(fā)展從來不是空中樓閣，需要在已有的基礎上發(fā)展；今天，任何的技術也很難形成一個單獨的封閉體系，它處在上下游的生態(tài)中，需要和其他的技術競爭、配合才能融合到實際的產(chǎn)品中。

拿高端光刻機來說，光源是美國的，運動平臺是歐洲的，光刻膠是日本的，整個機器集合了人類所有的智慧，是將技術發(fā)揮到極致的一個杰作。在全世界范圍看，只有少數(shù)的區(qū)域或者國家能夠想到去自主研發(fā)，無論是快速模仿或者 “彎道超車” 都很難，面對如此復雜和系統(tǒng)的工程，要想短時間內(nèi)一蹴而就，“做到最好”，是不符合科學規(guī)律的。

“制造最先進光刻機的荷蘭公司AMSL，其鏡頭的供應商蔡司在1902年的時候就做了4鏡頭3組的體系，但那個時候的中國還在光緒年間。他確實是百年老店，慢慢積累上來的?！?陳蓉說。

拿原子層沉積來說，在陳蓉做博士時，這項技術還屬于草創(chuàng)時期。2002年，在她參加的第二屆原子層沉積專業(yè)會議上，與會者還不到百人，大家擠在圣何塞機場附近的一家小酒店里。而如今，這一領域的會議規(guī)模翻了十幾倍，參加者來自各個國家。原子層沉積技術的發(fā)展，從發(fā)端到最后真正用到產(chǎn)業(yè)界，也花了幾十年的時間。

在學術界和產(chǎn)業(yè)界雙重的經(jīng)歷，也讓陳蓉對于技術的落地和轉化有了很多思考。據(jù)她的觀察，國內(nèi)的學術界和產(chǎn)業(yè)界的互動還遠遠不夠。

事實上，在陳蓉剛開始做博士時，她的經(jīng)費來源由美國自然科學基金NSF和半導體聯(lián)盟SRC（Semiconductor Research Corporation）共同提供，前者側重于基礎科研的，后者則致力于提煉出一些產(chǎn)業(yè)的共性問題。

除了這樣的研究資助機制，硅谷的產(chǎn)業(yè)界和學界的互動也十分頻繁，形成獨特的文化。

“斯坦福的教員很多是從企業(yè)里來的，然后有些可能又回到了企業(yè)，這種雙向的流動是很多的，這種緊密的關系像是刻在骨子里的。我們的企業(yè)和大學需要更加欣賞對方所做的東西，加強溝通合作，同時學會欣賞尊重好的想法?！?陳蓉說。

目前，原子層沉積技術依然在發(fā)展當中，陳蓉期待，未來該項技術會應用到更廣的領域。底部的世界大有可為，陳蓉堅信這一點。

“這種對未知的探索，本來就是特別有意思的東西，我們能實現(xiàn)某一部分，能做出這么小、這么精確的東西，它還能夠工作，變成實際的產(chǎn)品，細想也是很了不起的?！?她說。

制版編輯 | 姜絲鴨



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