步入納米時代后，納米材料與納米元件的性能不只取決于塊體材料的性質，而更主要是由材料的表、界面性質來決定；為了防止因為表面污染而導致的改變與損傷，薄膜材料一般須要放置于真空環境中。只有在真空度低至10-8Pa的超高真空環境中，原子級干凈的表面才可能保持幾個小時，因而促使原子層生長、表面/界面控制和本征性質表征成為可能。這也就是為何現代大多科學技術的突破都是在超高真空條件才得以實現。
隨著科學技術的發展，因為量子效應、表界面效應，傳統的研究與制造技術在面向納米材料與元件的時侯遇見極大挑戰，必須有一種改革性的技術路線來滿足納米材料與元件對于表、界面的保護和調控，以及對其本征性質的綜合研究與表征；并且，交叉學科的盛行是未來科技發展的一個大趨勢，須要有一個平臺可以兼容和吸引不同領域、不同事科的科學家與技術人員交叉融合共同創新；據悉，有好多高精尖的設備可以應用于多種課題的研究，開放共享那些高昂的設備，不但可以提升設備的借助率，并且可以服務更多的有須要的用戶。
針對以上幾方面的需求，納米真空互聯大裝置（Nano-X）應運而生。
概況
納米真空互聯大裝置（Nano-X）由中國科大學上海納米技術與納米仿生研究所建設，是一個面向納米領域、真空環境下集多種功能設備為一體的互聯系統，目前主要用于納米薄膜沉積和外延生長過程的實時檢測，表、界面剖析，以及后續元件的制做。如圖1所示，納米真空互聯實驗站是目前世界上規模最大、功能最全的真空互聯研制平臺。
圖1真空互聯設備（Nano-X）
圖2所示為納米真空互聯實驗站一期項目的設備分布圖。它通過100米長的超高真空管路將30多個設備互聯上去，產生四個功能區。管線內有多個貨車同時運行，每列貨車最多可以裝載3個樣品或樣品托。實驗樣品利用于軌道貨車可以在真空互聯管線中傳輸，對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現交互。
圖2通過超高真空管路互聯的各類不同功能的設備
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，系統利用計算機程序的優化控制，可以促使多個貨車在100米的管線內快速安全運行。在這樣的系統中，材料制備室可以與不同剖析腔室移動，進而實現樣品結構和元件性能的原位表征。
據悉，不同材料的沉積須要不同的沉積工藝，結合上去就可以制備出奇特的多層結構樣品。也就是說，在本底真空優于2×10-10托的環境下，新鮮制備的樣品可以從生長室直接通過真空管路輸送到各個表征剖析室，進而保護樣品表面免受氧化或與大氣曝露相關的其他結構或物理變化。
這些系統的另一個奇特之處就是將關鍵的工藝設備升級到超高真空本底環境，并與互聯管線對接，其中包括多種高純金屬沉積和ICP濕法刻蝕設備等。通過這些互聯技術，可以實現對納米元件的表面和界面進行更好地控制與修飾。
目前共有32臺設備已然聯接到實驗站一期項目的“管道”上：6個超高真空腔室主要用于材料生長，14個用于材料剖析表征和12個用于元件加工。通過管線將這種材料設備和工藝設備相結合，真空互聯技術打開了探求各種復雜和混和體系的原子級材料生長控制的房門，以及用于開發對表面和界面敏感的納米級元件的加工技術的改革性創新。據悉，該項目與上海納米所的微納加工平臺密切合作，可以將傳統的超凈間元件工藝與真空互聯有機的結合上去，突破目前在半導體芯片制造過程中的卡手臂關鍵技術。
面向學術界和產業界的開放平臺
真空互聯設施目前主要鼓勵三種類型的應用型研究
1、致力于利用多種設備進行表面和界面本征性質剖析與調控的研究；
2、致力于進行新的特定超高真空腔體的設計和建造，極大地借助超高真空互聯環境與技術，并可以與其他設備聯接；
3、致力于開發具有“混合型”、“多重材料”生長功能的新技術系統。
真空互聯的技術方案就是提供具有多功能區的、通過超高真空管路將相關設備互聯上去的系統，為研究者提供了更多的可能性，可以解決傳統方式和獨立設備無法解決的問題。
納米真空互聯實驗站通過選擇合適的研究團隊，向國外外學術界、產業界開放。那些研究團隊可以借助已安裝的設備進行研究和開發，或則將她們自己特有的真空設備對接到實驗站的管線上進行常年或短期的共享。學術委員會將負責執行科學新政和重要合作課題的評審。實驗站的另外一個目標也是開放和推動研究機構與產業界之間的動態橋梁，以便工程技術人員與科學工作者進行密切合作。目前早已有越來越多的半導體公司抒發了對真空互聯技術的需求，拿來作為其在未來智能驅動技術的創新材料研制中的一種強有力的競爭力。
這一開放的裝置歡迎來自中國和海外的研究團隊在跨學科領域上進行多材料集成、多技術剖析、以及元件工藝與界面調控相結合的基礎和應用研究。對于所有真空互聯實驗站的用戶，我們除了提供具有最佳工作狀態的設備，并且還在真空管路上設置了特殊端口，便于用戶聯接她們自己的特殊設備，因而實現創新轉移和技術共享。
支持項目及其進展
納米真空互聯實驗站將主要支持（但不限于）以下研究和開發項目
1、研究III-V族化合物半導體的材料和元件，以獲得新材料的固有特點和元件加工機制；
2、利用Nano-X中的半導體加工技術的優勢，研究并開發可以實際應用的低維、高溫超導元件；
3、研究表面催化和納米能源技術，重點關注氣/固界面的反應動力學；
4、研究儲能材料和元件、鋰電池電極的基本特點，以及開發高效的動力電板。
在該項目的規劃階段，我們就吸引了兩個重要的核心合作伙伴，中國科學技術學院院長包信和教授和復旦學院副院長薛其坤教授。她們分別是表面催化和低溫超導材料領域的杰出科學家。據悉，二維材料、量子比特等相關的研究方向也被列入了實驗站的支撐項目中。所有那些項目除了將重點集中于研制“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隊也是實驗站的合作伙伴之一，她們早已開始在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。南開學院的董紅院長是第一位借助實驗站的超高真空環境將ALD、、XPS等技術相結合的用戶，在III-V族化合物MOS結構的半導體/柵介質層界面進行了原子擴散的實驗研究[1]，為探求后摩爾時代集成電路芯片的創新元件提供了有價值的指導。
在教育方面，納米真空互聯實驗站的構建鼓舞了下一代科學研究者和工程師在材料科學和設備創新技術上的開拓。通過合作研究與技術培訓，可以為納米產業與應用研究培養數百名研究生與博士后。這種培訓將包括材料的外延生長與沉積、先進的材料剖析表征、器件制造和性能測試。在這樣一個科學技術激烈競爭的時代，真空互聯大裝置具有推動創新的巨大潛力，是下一代材料研究者、工程師和技術人員進行世界級研究與開發的一個先進平臺。
截至目前，在納米真空互聯實驗站早已有超過100個用戶課題在舉辦，不僅前文提到的研究者之外，包信和教授團隊[2,3]，陳立桅研究員團隊[4]，美國院士團隊[5]，張寶順研究員團隊[6]，孫錢研究員團隊[7]，崔錚研究員團隊[8]，劉立偉研究員團隊[9]，等等，也都早已發表了重要的學術成果（詳見后文）。
結語
其實，納米真空互聯實驗大裝置是目前世界上規模最大、功能最全的研制平臺，借助超高真空環境，將材料生長、器件制造、表征和測試等方面的最先進功能集成為一個大系統。其最大的特色是實現設備共享、人才共享、思想共享物理實驗設備力學軌道小車，將會成為一個學科交叉的研究與創新高地。
目前，實驗站已完成了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。該項目的總投資預算為15萬元人民幣，建成后希望能列入國家大科學基礎設施序列，成為世界級納米科學技術研究與開發的開放平臺，為國家高技術戰略提供先進技術支持。
最后物理實驗設備力學軌道小車，我們特別謝謝中國科大學，浙江省政府，上海市政府和上海工業園區的大力支持；同時，也特別謝謝中國科大學上海納米技術與納米仿生研究所所有同仁的幫助與支持。
部份相關成果發表情況
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[3]趙惠而浦，陳浩，吳睿，等.氧化鋅有序結構在Au(111)和Cu(111)上的生長（英語）[J].化學物理學報，2018,12:1379-1380.
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[7]ZhongYZ,ZhouY,GaoHW,etal.Self-ofGaNwithaoverAlGaNunderCl2/N2/alow-ion[J].,2017,420:817-824.
[8]XuQQ,ZhaoJW,V,etal.fromp-Typeton-Typeof-GateThin-FilminMetal–Oxide–[J].ACSAppl.Mater.,2017,9(14):12750-12758.
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本文首發于《真空》雜志2019年第6期
原文標題：納米真空互聯大裝置（Nano-X）及其應用進展
