问题描述

降低能耗是实现我国双碳目标的重要手段。未来信息器件必然朝着性能更高、功耗更低、尺寸更小的方向发展，材料尺寸的极限目标达到单个原子水平，极限尺寸材料和器件的可控制备及物性调控都需要在新材料、新技术和新物理等方面展开前沿研究和相关知识储备。随着材料和器件的特征尺寸进一步缩小，达到“有限个原子”这一特征尺度时，其物理性质对材料和器件自身的原子构型以及边界、表界面的原子结构都极其敏感，量子效应显著，并表现出一些新奇的物理性质，经典半导体物理不再适用。因此，为了达到器件发展的极限目标，需要发展原子尺度精准的材料制备及表征、信息器件构筑及功能调控的方法和技术。

问题背景

中国制造业体量大，但核心竞争力不强，关键元件受制于人。纵观制造业的发展，人类制造能力经历了三个时代，无论是原始的手工制造，机械制造，微纳加工，每一个阶段制造能力的提升都极大地推动了社会的发展。目前，在信息技术与制造技术深度融合的前景下，正在引发新一轮科技革命和产业变革。随着信息器件的微缩化发展趋势，现有器件技术遇到瓶颈问题，单元器件的尺度进入7 nm技术节点，趋近硅基器件的极限。未来制造技术必将是从原子级精准制造的突破。原子级精准制造包括原子增减、原子位移和原子的有序排列等等。原子级精准制造是颠覆性科技，不同的排列方式将导致低维材料千变万化的性质。单个原子的增减能实现新的功能，或彻底改变核心单元的功能。原子位置的微小改变能实现或彻底改变核心单元的功能。缺陷、边界乃至界面往往决定了低维体系的新奇物性。因此，低维材料的原子级精准构筑及其新奇物性的研究将推动基于低维材料的具有原子级沟道的微纳器件的应用。

低维材料，包括零维，一维和二维材料，具有丰富的物性和可调控性，是实现原子精准制造的理想体系。2004年英国曼彻斯特大学的A. Geim和K. Novoselov发现石墨烯并于2010年获得诺贝尔物理学奖，开启二维原子晶体材料研究的新时代，并催生的相关研究方向：新型准粒子研究；二维磁性和二维超导；拓扑绝缘体和拓扑半金属；新型电子/自旋/谷器件等。目前二维材料的国际研究呈现出中、欧、美三足鼎立的势头。我国目前缺少国家层面的整体战略布局。原子级精准制造相关科学与技术目前在国际上仍处于概念阶段，相关研究方向已经成为国际科技竞争的热点，面临的主要挑战有：大范围精准组装存在困难，功能设计尚未实现；物性的原子尺度精准表征和调控的实现依然不足；用原子制造技术构造功能器件甚至系统尚属空白。难点问题包括：如何发展原子尺度精准制造的方法、技术和理论，在原子尺度精准构建低维原子/分子晶体材料及其异质结构？如何在原子尺度精准构建信息电子/光电器件，例如高灵敏度广谱光电探测器、高速低功耗自旋逻辑和存储器件、神经形态仿生及类脑计算等功能器件？

最新进展（截止问题发布年度）

低维材料，包括零维，一维和二维材料，具有丰富的物性和可调控性，是实现原子精准制造的理想体系。2004年英国曼彻斯特大学的A. Geim和K. Novoselov发现石墨烯并于2010年获得诺贝尔物理学奖，开启二维原子晶体材料研究的新时代，并催生的相关研究方向：新型准粒子研究；二维磁性和二维超导；拓扑绝缘体和拓扑半金属；新型电子/自旋/谷器件等。目前二维材料的国际研究呈现出中、欧、美三足鼎立的势头。我国目前缺少国家层面的整体战略布局。原子级精准制造相关科学与技术目前在国际上仍处于概念阶段，相关研究方向已经成为国际科技竞争的热点，面临的主要挑战有：大范围精准组装存在困难，功能设计尚未实现；物性的原子尺度精准表征和调控的实现依然不足；用原子制造技术构造功能器件甚至系统尚属空白。难点问题包括：如何发展原子尺度精准制造的方法、技术和理论，在原子尺度精准构建低维原子/分子晶体材料及其异质结构？如何在原子尺度精准构建信息电子/光电器件，例如高灵敏度广谱光电探测器、高速低功耗自旋逻辑和存储器件、神经形态仿生及类脑计算等功能器件？

重要意义

针对未来新型信息器件的新原理及其构筑方法，提出原子制造这一新概念，选择低维材料这一原子制造的直接产物为研究对象。针对低维材料和异质结构的原子尺度精准制造，发展原创性方法，突破原子尺度制备材料的关键技术难点，解决原子尺度精准的材料制备及表征、信息器件构筑及功能精准调控的方法和技术等核心科学问题。以重大科学前沿问题为导向，整合在低维材料、物理和器件研究领域的优势力量，发挥集体攻关优势，探索和构筑几种具有中国标签的高品质新型低维材料及其异质结构，抢占“信息功能器件牵引的精准原子制造”这一国际研究高地，继而成为低维材料和原子制造领域的引领者。

围绕原子制造技术与方法，发展针对低维材料和异质结构原子尺度精准制造的原创性技术，研制出一系列具有新奇物性、可能孕育信息革命的新型低维材料，在某些关键应用基础研究，如新型信息存储和计算、广谱探测等方面取得重大科学突破。同时在这个过程中，凝聚一批强有力的研究群体，锻造核心研究力量、发展关键技术、为国家提供面向未来原子制造时代的人才储备和知识储备、技术支撑和科学研究基础。