探秘“纳米大科学装置”,苏州纳米所亮相“十二五”科技成就展

氮化镓(GaN)单晶衬底,纳米真空互联实验站模型,芯片级原子钟,

国家“十二五”科技创新成就展期间,一大批“高精尖”科技创新成果将呈现在公众眼前。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(中科院苏州纳米所)作为苏州工业园区代表单位,将重点展出“大科学装置”纳米真空互联实验站模型,以及氮化镓(GaN)单晶衬底、芯片级原子钟、小动物荧光成像系统3个产品。

图为纳米真空互联实验站模型,按照真空互联装置实景等比例缩小,可演示样品在真空管道中运行的轨迹。

不管你是科技控还是好奇党,“大科学装置”都不容错过。你可能听说过兰州的重离子加速器、上海的同步光源等,这些国内知名的“大科学装置”,未来或将再多一个“队友”——纳米真空互联实验站。它由中科院苏州纳米所牵头,联合清华大学、复旦大学、中科院大连化学物理研究所共同建设,一期投入3.2亿元,预计2017年年底建成,2018年底试运行。

纳米真空互联实验站是纳米领域世界上首个集材料生长、器件加工、测试分析为一体的综合实验装置,也是江苏省第一个按国家重大科技基础设施标准在建的“大科学装置”。它能使材料生长、器件加工、测试分析全程在超真空(或气氛可控)环境下进行,并在超高真空条件下实现样品的合理调度与传输,避免样品表面受大气中的氧气和水蒸气影响而被氧化或污染,有效保护样品。它还能有效探索材料、器件的本征性质,开发新工艺、新器件,大大缩短和简化从基础研究到应用开发的过程,提高产品生产效率、成品率和重复性。可促进氮化镓、激光器、太阳能电池、锂离子电池等下端产品的升级换代和应用,对光电子等产业意义重大。

纳米真空互联实验站将成为一个科技公共开放实验平台,它在科技中的价值远不止于现有的产业化应用。作为纳米科技领域重要的前瞻性战略布局,它利用全真空互联的变革性技术,解决未来纳电子等新兴产业中的关键技术问题,并面向“中国制造2025”的战略需求,提升自主设计水平和系统集成能力,以科技带动产业链快速发展,为国家战略高技术及江苏省、长三角地区产业提供重要支撑。

目前,这一实验站正在筹建中,预计建成约100m长超高真空管道,连接33台/套大型设备,真空度<10-10torr。

10-10torr是什么概念呢?相当于正常大气压的1/1013,也就是十万亿分之一。真空类型按压力等级,分为低真空、中真空、高真空以及超高真空,超高真空的真空度最高。通常情况下,正常大气压的1/1012以下即为超高真空,而苏州纳米所的真空互联实验站能获得1/1013以下的超高真空环境,比1/1012的标准还低了一个数量级。

图为纳米真空互联预研系统。

据了解,用于先期验证的纳米真空互联预研系统已在苏州纳米所安装完毕,正常运行一年多了。它能实现超高真空环境的获得,进而保证样品传输、交接、定位、标识的可靠性。此外,真空互联技术中挑战最大的设备对接——即实现样品架的兼容与统一,从而传送大小不一的样品——已通过自主设计的样品托和机械手部件得到部分解决。而纳米真空互联实验站的示范线——过渡期小型互联系统,预计2016年下半年就能试运行。

图为设备对接与样品传递示意。

最终的纳米真空互联实验站是涵盖纳米材料生长、表征、器件制备、加工与测试等各功能模块的真空互联装置及个性化用户站,形成全真空环境下的纳米材料和器件研究开发的综合实验系统。

除了“大科学装置”——纳米真空互联实验站,苏州纳米所还将展出下列3个产品。

一是氮化镓(GaN)单晶衬底。

继第一代半导体硅、第二代半导体砷化镓之后,氮化镓成为第三代半导体的代表,它在电和光的转化方面性能突出,在微波信号传输方面效率更高,优势十分明显。

一开始市场上使用的氮化镓芯片通常是基于蓝宝石或碳化硅衬底晶片制备而成,这种衬底决定了每平方厘米芯片的缺陷密度达到上亿个。如果衬底晶片变为氮化镓本身,它的缺陷密度将大为降低。苏州纳米所立足于自主研发的HVPE装备,完成了2-4英寸氮化镓衬底的研发及产业化开发,可完美替代此前的蓝宝石或碳化硅衬底,且缺陷密度大大降低,最低达104/cm2,达到国际领先水平。

图为2英寸氮化镓自支撑衬底和4英寸氮化镓模板衬底。

图为具有自主知识产权的氮化镓材料生长装备(HVPE)。

二是芯片级原子钟。

纽扣电池供电的芯片级原子钟是一种小型化、低功耗的原子授时和频率校对装置,其最大的优势在于精准,精度高于石英晶振2-4个数量级。在安全性要求非常高的特高频率通讯系统和无阻塞GPS接收机、GPS传感器、GPS制导中,这种原子钟将发挥关键作用。

图为芯片级原子钟物理系统和芯片级原子钟整机。

三是高穿透深度、高空间分辨率、宽光谱小动物荧光成像系统。

苏州纳米所团队在国际上首次提出Ag2S近红外二区荧光量子点体系,并开发了第一台商业化的近红外荧光活体影像系统,建立起大于1.5cm高穿透深度、约25µm高空间分辨率的小动物荧光成像技术平台,在新药开发、治疗评估、荧光指导的精准手术、干细胞再生医学研究等领域具有广泛应用前景。

图为高穿透深度、高空间分辨率、宽光谱小动物荧光成像系统。

图为近红外量子点及其对应的荧光光谱。

展品看完了,“幕后英雄”中科院苏州纳米所不得不提。它位于苏州工业园区独墅湖科教创新区,由中国科学院与江苏省人民政府、苏州市人民政府和苏州工业园区共同出资创建,通过前沿学科交叉,把纳米科技与信息科学、生命科学和物理以及化学等学科结合起来,实现微电子技术到纳米电子技术的无缝过渡,并开发智能型微观医疗诊断技术和微观治疗技术。

自建所以来,苏州纳米所积极主动聚集社会优势创新要素,全力推进技术转移转化与所地合作,探索建立科研与产业紧密结合的转化平台,加速形成知识创新、技术创新和产业化相融合的创新体系。为此,苏州纳米所成立技术转移中心,从事知识产权和成果转移转化管理工作;成立全资资产管理公司,负责研究所知识产权投资运营管理工作。此外,苏州纳米所还建立了“中国科学院苏州产业技术创新与育成中心”,服务苏州经济社会发展;牵头成立了微纳加工与制造产业技术创新战略联盟,共同开拓新技术、新成果的应用市场。

目前,苏州纳米所已有数十项专利技术或专有技术实现产业化,先后孵化培育产业化公司30余家,涉及半导体光电技术、显示技术、新能源、新材料等科技含量高、对产业链影响大的等高技术领域,为科技服务于经济发展、促进地方经济发展方式转变做出了较大贡献。

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责任编辑:yangfan