原子制造科学与技术

原子制造是未来制造技术的重要方向，更是人类制造能力演进的自然趋势。本书从原子级精准操控能力的角度切入，系统介绍扫描探针技术、原子团簇技术、基元配合与自组装技术、固体功能原子（缺陷）中心（如色心）技术、原子态极端操控技术、冷原子分子技术、二维原子层材料技术、分子束外延技术以及原子级机械制造技术等多个前沿方向，力求梳理和呈现近年来具有代表性和示范意义的重要进展，尝试厘清从原子操控迈向原子制造的技术路径与发展脉络，并对原子制造的学科构建进行前瞻性思考与探索。

目录
0 绪论 1
0.1 原子制造发展背景 1
0.2 原子制造基本概念与核心特征 3
0.2.1 原子制造基本概念 3
0.2.2 核心技术特征——原子精准操控 5
0.2.3 产品效果特征——原子精确结构创制与颠覆性物性 8
0.2.4 技术路线特征——自下而上 11
0.2.5 原子制造技术与产品体系 11
0.3 未来发展 16
参考文献 17
1 基于扫描探针术的原子制造 19
1.1 扫描探针显微术概况 19
1.1.1 扫描隧道显微镜 20
1.1.2 原子力显微镜 24
1.1.3 其他扫描探针显微镜 27
1.2 基于扫描探针的原子级操控 28
1.2.1 基于扫描隧道显微镜的原子级技术 28
1.2.2 真空环境原子力显微镜原子操纵技术 33
1.2.3 原子力显微镜单原子注入技术 35
1.3 基于扫描隧道显微镜的量子模拟 36
1.3.1 STM模拟量子材料概述 36
1.3.2 利用STM在金属表面操纵原子和分子模拟二维量子材料 37
1.3.3 利用金属表面空位原子构筑人造晶格 39
1.3.4 利用STM在半导体表面构造人工量子点 40
1.3.5 STM 模拟一维链概述 42
1.4 扫描隧道显微镜技术的单原子量子器件和计算 47
1.4.1 量子比特基础 47
1.4.2 单原子量子器件 48
1.4.3 电子自旋和原子核自旋读出 49
1.4.4 单电子的单比特门 51
1.4.5 两比特门 52
1.4.6 单原子量子计算可扩展架构 54
1.5 总结与展望 55
参考文献 55
2 团簇科学中的原子制造 63
2.1 团簇束流的产生与测控 63
2.1.1 气相团簇生长的理论理解 63
2.1.2 典型团簇束源的设计 70
2.1.3 总结与近期发展 80
2.2 金属碳团簇的束流原子制造 81
2.2.1 金属碳团簇的研究方法 81
2.2.2 金属碳化物原子制造的典型案例 84
2.3 团簇的宏量合成 94
2.3.1 典型的金属团簇合成 94
2.3.2 典型的半导体团簇合成 95
2.3.3 内嵌富勒烯的合成 96
2.4 团簇结构与物性的原子操控 101
2.4.1 团簇结构与电子结构的演化与原子操控 101
2.4.2 钨铜合金新结构物相 105
2.4.3 金属-绝缘体转变 107
2.4.4 类分子的光激发效应 108
2.4.5 金属等离激元的三阶段过渡 110
2.4.6 颗粒磁性的原子操控 112
2.4.7 团簇催化的原子操控 114
2.5 基于单个团簇的电子器件 116
2.5.1 器件基本结构及制备技术 116
2.5.2 器件基本输运现象 117
2.5.3 驻极体效应及原子级存储器件 119
2.5.4 电控单原子磁性 121
2.5.5 多态随机比特与矩阵乘法的演示 123
2.6 基于气体团簇束流的表面超精密加工 124
2.6.1 气体团簇离子束研究历史 124
2.6.2 GCIB产生原理与典型装置 126
2.6.3 GCIB与材料的作用 128
2.6.4 质选GCIB的原子级加工 129
2.7 总结与展望 132
参考文献 132
3 基于二维材料的原子制造 156
3.1 二维材料概述 156
3.1.1 二维材料的定义 156
3.1.2 二维材料的发展历程 156
3.1.3 二维材料的基本结构 163
3.1.4 二维材料的物理性质 169
3.2 二维材料的面内掺杂原子制造 179
3.2.1 元素掺杂二维材料的制造 179
3.2.2 均相合金二维材料的制造 186
3.3 二维材料的面内单晶原子制造 195
3.3.1 单核生长实现单晶制造 195
3.3.2 周期势诱导单晶制造 202
3.3.3 表面结构诱导单晶制造 208
3.4 二维材料的面外堆垛原子制造 216
3.4.1 少层二维材料的外延生长 216
3.4.2 厚层二维材料的连续制造 228
3.4.3 叠层二维材料的堆垛控制 237
3.5 二维材料的异质结构原子制造 246
3.5.1 面内异质结构的原子制造 246
3.5.2 面外异质结构的原子制造 252
3.6 总结与展望 260
参考文献 263
4 基于薄膜生长的原子级制造 277
4.1 过渡金属氧化物的介绍 277
4.1.1 过渡金属氧化物的结构和自由度 278
4.1.2 过渡金属氧化物中的序参量及功能物性 280
4.2 过渡金属氧化物的原子级制造 281
4.2.1 原子层制造：分子束外延与激光分子束外延 281
4.2.2 原子级自支撑薄膜制备 288
4.2.3 过渡金属氧化物功能基元的原子级制造：离子调控 292
4.2.4 过渡金属氧化物的高通量制备：原子组合制造 295
4.3 原子级制造材料/结构中的新物性 299
4.3.1 氧化物异质界面的二维电子气及应用 300
4.3.2 过渡金属氧化物异质界面的界面磁性 307
4.3.3 铜氧化物的二维界面超导 316
4.3.4 过渡金属氧化物自支撑薄膜制备、调控和应用 320
4.4 过渡金属氧化物功能基元的离子调控 327
4.4.1 基于离子液体的离子调控 327
4.4.2 过渡金属氧化物的离子调控在电子器件领域中的应用 334
4.4.3 过渡金属氧化物的离子调控在磁性调控及磁电耦合中的应用 344
4.4.4 功能氧化物的新型离子操控方法的探索和发展 351
4.5 总结与展望 356
参考文献 356
5 原子级可控组装制造 374
5.1 核酸基元的合成 374
5.1.1 寡核苷酸的化学合成 375
5.1.2 寡核苷酸的酶法合成 377
5.1.3 基于细菌体系的生物合成 379
5.2 DNA纳米技术和框架核酸 381
5.2.1 DNA瓦片 381
5.2.2 DNA折纸 385
5.2.3 跨尺度DNA结构制造 388
5.3 核酸介导金属材料的原子制造 393
5.3.1 离散型金属结构 394
5.3.2 连续型金属结构 397
5.3.3 连续型金属结构的电学性能测试 402
5.4 核酸介导绝缘材料的原子制造 405
5.4.1 传统制备方法 406
5.4.2 核酸介导的绝缘材料制备 407
5.5 核酸介导半导体材料的原子制造 413
5.5.1 核酸介导的半导体材料刻蚀 414
5.5.2 核酸介导的半导体材料组装 418
5.6 核酸介导的高性能半导体器件原子制造 421
5.6.1 晶体管介绍 421
5.6.2 核酸介导的半导体界面修饰 422
5.6.3 核酸介导制造半导体器件 424
5.7 点击组装与原子基元的模块化构建 427
5.7.1 点击化学反应 427
5.7.2 基于叠氮-炔点击化学的原子制造 430
5.7.3 基于Diels-Alder点击反应的原子制造 435
5.7.4 基于硫醇-烯/炔点击化学的原子制造 445
5.7.5 基于SuFEx点击化学的原子制造 451
5.7.6 光点击化学与原子制造 454
5.7.7 非共价键点击化学与原子模块化制造 459
5.8 点击组装在材料原子制造中的应用 462
5.8.1 点击组装介导拓扑高分子的原子制造 462
5.8.2 点击组装介导表界面的原子制造 469
5.8.3 点击组装介导核酸及DNA/RNA的原子制造 473
5.8.4 点击组装介导蛋白质的原子制造 477
5.9 总结与展望 483
参考文献 484
6 逼近原子水平的超精密加工 517
6.1 减材制造 517
6.1.1 原子级切削 518
6.1.2 基于探针的加工方法 522
6.1.3 基于能量束的原子级去除 531
6.1.4 原子级刻蚀去除 536
6.2 增材制造 538
6.3 等材制造 545
6.3.1 原子级缺陷调控 545
6.3.2 原子级材料连接 553
6.3.3 原子级精度操控 557
6.3.4 原子级组分调控 559
6.3.5 原子级表面重构 559
6.4 总结与展望 562
参考文献 563
7 原子制造中的表征与测量 570
7.1 透射电子显微镜技术 571
7.1.1 透射电子显微镜的主要结构 571
7.1.2 透射电子显微镜的工作原理 573
7.1.3 透射电子显微镜的附加功能 574
7.1.4 扫描透射电子显微镜在原子级表征中的应用 578
7.2 拉曼光谱和等离激元增强红外吸收光谱技术 591
7.2.1 表面增强拉曼光谱 592
7.2.2 针尖增强拉曼光谱 595
7.2.3 等离激元增强红外吸收光谱 598
7.3 超快动态电子学表征技术 605
7.3.1 超快透射电子显微镜 605
7.3.2 超快扫描电子显微镜 612
7.4 超分辨成像技术 619
7.4.1 受激辐射损耗(STED)超分辨技术 619
7.4.2 基态损耗(GSD)显微成像技术 620
7.5 超精密激光干涉测量技术 624
7.5.1 超精密激光干涉测量仪器的总体情况 624
7.5.2 超精密激光干涉测量仪器研发概况 625
7.5.3 超精密激光干涉测量仪器应用概况 626
7.5.4 亚埃级激光干涉测量技术与仪器展望 628
7.6 总结与展望 628
参考文献 629
8 原子制造计算的若干考虑 638
8.1 单原子操控的相互作用理论 638
8.1.1 扫描探针显微镜与单原子操控和选键化学过程 638
8.1.2 聚焦电子束与单原子控制 644
8.1.3 物理场囚禁和化学场操控 647
8.2 材料大规模创制 651
8.2.1 化学场(化学气氛)的分子动力学模拟 651
8.2.2 基于化学势调控和缺陷的新材料创制理论 652
8.2.3 基于算法的新结构预测 653
8.3 多尺度模拟和工艺仿真 656
8.3.1 二维材料构筑过程的模拟仿真 656
8.3.2 原子尺度模拟 657
8.3.3 介观尺度仿真 661
8.4 数据库构建和机器学习模型 662
8.4.1 二维材料数据库 662
8.4.2 二维材料理论预测的局限性 663
8.4.3 二维材料的机器学习预测 664
8.5 总结与展望 667
参考文献 668
9 原子制造中的若干理论问题 678
9.1 原子制造体系的新特征、新原理与新理论 681
9.2 孤立原子点缺陷体系的应用 686
9.2.1 金刚石氮-空位中心体系 688
9.2.2 硅片中的磷(31P)原子带电中心 691
9.2.3 MoS2 单分子膜的空位缺陷 692
9.3 原子系综的物态调控与功能器件 693
9.3.1 冷原子系综 693
9.3.2 里德伯原子 694
9.3.3 碱金属原子 703
9.3.4 NV系综 704
9.4 新型低维原子制造材料的发展 705
参考文献 713
10 展望 717
10.1 梦想与当前 717
10.2 原子制造：从原子到产品 717
10.2.1 从原子到分子 717
10.2.2 从原子层到异质结材料 717
10.2.3 从单原子中心到量子芯片 718
10.2.4 从原子零件到“智能”系统 718
10.3 原子制造与原子操控 718
10.4 人类走出地球要带什么？ 719