声子极化激元技术探测层间形变的概念示意图。 受访者供图
材料中几皮米的形变，虽然细小到不及头发丝直径的千万分之一，却能决定一枚芯片的性能。这种微小变化深藏在材料内部，难以观测，更无从触及。如何精准测量，便成了原子制造必须跨过的一道门槛。
近日，上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的科研人员成功解决这一难题。他们利用一种由光与晶格振动形成的特殊波，打造出一把能感知原子级形变的“皮米尺”，把材料内部的层间形变转换成清晰的光谱信号。其探测精度达到10皮米，仅为所用红外光波长的约百万分之一。相关成果发表于《自然》。
“原子制造的前提是原子级计量。造得出，还要量得准。”论文通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉科技日报记者，“这项工作，就是先把尺子造出来。”
以光为尺：让“沉默”信号显现
这把尺子的背后，是一种叫声子极化激元的物理现象。晶体内部的原子，就像一群手拉手跳舞的小人，始终在各自的位置附近有节奏地集体振动，这种振动被称为声子。当一束红外光的频率恰好和这个振动节拍合上时，光的电场就会带着原子一起摆动，两者同频共振，合成了一种“你中有我、我中有你”的波——一半是光，一半是晶格振动，这便是声子极化激元。
“普通的光穿过晶体，如同一个路人，几乎不理会原子那点细微的挪动。可声子极化激元有一半是晶格振动本身。层间距哪怕只变化几皮米，原子振动的节奏就会跟着变，混合波的频率也随之改变。这样一来，形变的信息就被清清楚楚地写进了光谱里。”戴庆解释道。
此次，研究团队选择了六方氮化硼为研究对象。六方氮化硼由单原子层堆叠而成，层与层之间的结合力很弱，因此层间距最容易发生细微变化。
问题在于，这种层间方向的振动在常规光谱中是“沉默”的，它几乎不与光直接作用，测不到信号。而声子极化激元的独特之处在于，它的频率恰好由层内和层间振动共同决定。这就打开了一扇窗：层间振动哪怕只带来几皮米的层间距变化，也会牵动声子极化激元的频率跟着移动，原本“沉默”的信号，就可以被转换为光谱上清晰可辨的频率变化。
信号虽然能“看见”了，但接下来的难题是：怎么精确锁定这个信号来自样品上的哪个微小位置？常规的光学显微镜对此无能为力。受衍射极限的限制，它无法分辨远小于光波长的细节，而这里需要观察的结构，比光波长还要小上万倍。
“我们这项研究的一个重要突破在于，不用光来‘看’光，而是用电子来‘看’光。”论文通讯作者、国家纳米科学中心研究员杨晓霞介绍。
以计算为标：给尺子标上刻度
思路有了，但要把它变成一把真正可用的尺子，还需要解决两个问题：怎么测，以及怎么标定刻度。
为此，研究团队与北京大学教授高鹏课题组合作，把高能电子束聚焦得比单个原子还细，让它紧贴材料表面掠过，电子携带的电磁场会激发出声子极化激元。
杨晓霞介绍，电子掠过材料表面后，自身会损失一小份能量。通过分析这份能量损失，就能反推出极化激元的频率，以及它在原子尺度上的变化。
然而，这条路走起来并不轻松。跟高能电子束相比，极化激元的信号就像嘈杂人群中的一句耳语，微弱得极易被掩盖。电子束必须聚得极细，能量又要异常稳定，周围哪怕一丁点机械振动、一丝电磁干扰，都可能把信号完全吞没。依托北京大学先进的电子显微镜平台，团队经过多年技术攻关，才把这套测量方法建立起来。
工具到手，紧接着是更关键的一步：标刻度。频率每移动一格，究竟对应多少皮米的形变？这个刻度，来自一次“先预言、后观测”的精确验证。
苏州实验室研究员丁峰团队通过第一性原理计算，率先给出了理论预言：当六方氮化硼的层间距被压缩时，层间振动会变慢，极化激元的频率随之降低，光谱应当向红端移动。这个预言听起来有些反常识：大多数材料受压后，原子间的相互作用会增强，振动应该加快，光谱会向蓝端移动才对。
反常的根源，藏在“回复力”里。原子偏离平衡位置时，总有力把它往回拉，振动快慢就由这股力的强弱决定。计算表明，只有来自原子近邻之间的短程作用力才会对层间距变化敏感。层间距被压小后，这股短程回复力不增反减，于是振动就慢了下来。研究团队接着对石墨烯、三氧化钼等其他层状材料进行了同样的计算，结果惊人地一致：层间一压，面外横向光学声子振动就变慢。这说明，它并非六方氮化硼独有的巧合，而是层状材料普遍共有的规律。
以实测为证：测量真实复杂结构
规律找到了，但它要成为尺子上的刻度，还必须经受实验的严格检验。研究团队将六方氮化硼放入能产生极高压强的金刚石对顶砧中，一边加压压缩层间距，一边独立测量光谱。“计算预言会红移，加压之后，我们果然看到了连续的红移。”戴庆回忆道。
正因为结果反直觉，计算和实验来回核对了几个月，彻底排除了实验假象，才最终确认了这条规律的可靠性。压缩了多少，光谱就红移多少，两者之间就此建立起明确的对应关系——尺子终于有了刻度。
刻度在手，团队随即测量了真实复杂结构。碲量子点与氮化硼纳米管的复合结构中，微小碲颗粒像硌进书页的石子，把周围层间距挤出形变。电子束扫过，极化激元频率如期红移，换算得到层间压缩约10皮米。人类第一次直接量出了埋在结构内部的原子级应变。
“这次测量证明，皮米级形变已可精准量化，而业界对形变的价值早有体会。”戴庆说，二十多年前，产业界给硅沟道施加了约1%的应变，驱动电流就能提升一到两成半，“应变硅”技术沿用至今。
如今，二维半导体薄到单原子层，已在12英寸晶圆上集成；堆叠封装更把应力深埋进键合界面。结构缩到原子尺度，应力越藏越深，称手的量具却一直缺位。
而这个缺口，正随着新器件的涌现变得愈发迫切。以转角双层石墨烯为例，层间距只需要压缩百分之几，也就是十几皮米，原本不超导的器件就能变成超导体。“层间那点皮米级的差异，正从需要控制的误差，变成可以被利用的功能。”戴庆说，“设计和制造这些器件，先得有一把能伸进结构内部的尺子。”
那么，从实验室造出的这把尺子，离生产线还有多远？戴庆估计，未来三到五年，有望集成出服务于高端科研的计量设备；而要进入芯片产线，成为通用的工业标准，则需要五到十年甚至更久。
“先量得准，才能造得准。”戴庆说，“下一步，是从‘量’走向‘调’，用这种半光半物质的波，在原子尺度上去主动改变材料的性质。”
声子极化激元技术探测层间形变的概念示意图。 受访者供图
材料中几皮米的形变，虽然细小到不及头发丝直径的千万分之一，却能决定一枚芯片的性能。这种微小变化深藏在材料内部，难以观测，更无从触及。如何精准测量，便成了原子制造必须跨过的一道门槛。
近日，上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的科研人员成功解决这一难题。他们利用一种由光与晶格振动形成的特殊波，打造出一把能感知原子级形变的“皮米尺”，把材料内部的层间形变转换成清晰的光谱信号。其探测精度达到10皮米，仅为所用红外光波长的约百万分之一。相关成果发表于《自然》。
“原子制造的前提是原子级计量。造得出，还要量得准。”论文通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉科技日报记者，“这项工作，就是先把尺子造出来。”
以光为尺：让“沉默”信号显现
这把尺子的背后，是一种叫声子极化激元的物理现象。晶体内部的原子，就像一群手拉手跳舞的小人，始终在各自的位置附近有节奏地集体振动，这种振动被称为声子。当一束红外光的频率恰好和这个振动节拍合上时，光的电场就会带着原子一起摆动，两者同频共振，合成了一种“你中有我、我中有你”的波——一半是光，一半是晶格振动，这便是声子极化激元。
“普通的光穿过晶体，如同一个路人，几乎不理会原子那点细微的挪动。可声子极化激元有一半是晶格振动本身。层间距哪怕只变化几皮米，原子振动的节奏就会跟着变，混合波的频率也随之改变。这样一来，形变的信息就被清清楚楚地写进了光谱里。”戴庆解释道。
此次，研究团队选择了六方氮化硼为研究对象。六方氮化硼由单原子层堆叠而成，层与层之间的结合力很弱，因此层间距最容易发生细微变化。
问题在于，这种层间方向的振动在常规光谱中是“沉默”的，它几乎不与光直接作用，测不到信号。而声子极化激元的独特之处在于，它的频率恰好由层内和层间振动共同决定。这就打开了一扇窗：层间振动哪怕只带来几皮米的层间距变化，也会牵动声子极化激元的频率跟着移动，原本“沉默”的信号，就可以被转换为光谱上清晰可辨的频率变化。
信号虽然能“看见”了，但接下来的难题是：怎么精确锁定这个信号来自样品上的哪个微小位置？常规的光学显微镜对此无能为力。受衍射极限的限制，它无法分辨远小于光波长的细节，而这里需要观察的结构，比光波长还要小上万倍。
“我们这项研究的一个重要突破在于，不用光来‘看’光，而是用电子来‘看’光。”论文通讯作者、国家纳米科学中心研究员杨晓霞介绍。
以计算为标：给尺子标上刻度
思路有了，但要把它变成一把真正可用的尺子，还需要解决两个问题：怎么测，以及怎么标定刻度。
为此，研究团队与北京大学教授高鹏课题组合作，把高能电子束聚焦得比单个原子还细，让它紧贴材料表面掠过，电子携带的电磁场会激发出声子极化激元。
杨晓霞介绍，电子掠过材料表面后，自身会损失一小份能量。通过分析这份能量损失，就能反推出极化激元的频率，以及它在原子尺度上的变化。
然而，这条路走起来并不轻松。跟高能电子束相比，极化激元的信号就像嘈杂人群中的一句耳语，微弱得极易被掩盖。电子束必须聚得极细，能量又要异常稳定，周围哪怕一丁点机械振动、一丝电磁干扰，都可能把信号完全吞没。依托北京大学先进的电子显微镜平台，团队经过多年技术攻关，才把这套测量方法建立起来。
工具到手，紧接着是更关键的一步：标刻度。频率每移动一格，究竟对应多少皮米的形变？这个刻度，来自一次“先预言、后观测”的精确验证。
苏州实验室研究员丁峰团队通过第一性原理计算，率先给出了理论预言：当六方氮化硼的层间距被压缩时，层间振动会变慢，极化激元的频率随之降低，光谱应当向红端移动。这个预言听起来有些反常识：大多数材料受压后，原子间的相互作用会增强，振动应该加快，光谱会向蓝端移动才对。
反常的根源，藏在“回复力”里。原子偏离平衡位置时，总有力把它往回拉，振动快慢就由这股力的强弱决定。计算表明，只有来自原子近邻之间的短程作用力才会对层间距变化敏感。层间距被压小后，这股短程回复力不增反减，于是振动就慢了下来。研究团队接着对石墨烯、三氧化钼等其他层状材料进行了同样的计算，结果惊人地一致：层间一压，面外横向光学声子振动就变慢。这说明，它并非六方氮化硼独有的巧合，而是层状材料普遍共有的规律。
以实测为证：测量真实复杂结构
规律找到了，但它要成为尺子上的刻度，还必须经受实验的严格检验。研究团队将六方氮化硼放入能产生极高压强的金刚石对顶砧中，一边加压压缩层间距，一边独立测量光谱。“计算预言会红移，加压之后，我们果然看到了连续的红移。”戴庆回忆道。
正因为结果反直觉，计算和实验来回核对了几个月，彻底排除了实验假象，才最终确认了这条规律的可靠性。压缩了多少，光谱就红移多少，两者之间就此建立起明确的对应关系——尺子终于有了刻度。
刻度在手，团队随即测量了真实复杂结构。碲量子点与氮化硼纳米管的复合结构中，微小碲颗粒像硌进书页的石子，把周围层间距挤出形变。电子束扫过，极化激元频率如期红移，换算得到层间压缩约10皮米。人类第一次直接量出了埋在结构内部的原子级应变。
“这次测量证明，皮米级形变已可精准量化，而业界对形变的价值早有体会。”戴庆说，二十多年前，产业界给硅沟道施加了约1%的应变，驱动电流就能提升一到两成半，“应变硅”技术沿用至今。
如今，二维半导体薄到单原子层，已在12英寸晶圆上集成；堆叠封装更把应力深埋进键合界面。结构缩到原子尺度，应力越藏越深，称手的量具却一直缺位。
而这个缺口，正随着新器件的涌现变得愈发迫切。以转角双层石墨烯为例，层间距只需要压缩百分之几，也就是十几皮米，原本不超导的器件就能变成超导体。“层间那点皮米级的差异，正从需要控制的误差，变成可以被利用的功能。”戴庆说，“设计和制造这些器件，先得有一把能伸进结构内部的尺子。”
那么，从实验室造出的这把尺子，离生产线还有多远？戴庆估计，未来三到五年，有望集成出服务于高端科研的计量设备；而要进入芯片产线，成为通用的工业标准，则需要五到十年甚至更久。
“先量得准，才能造得准。”戴庆说，“下一步，是从‘量’走向‘调’，用这种半光半物质的波，在原子尺度上去主动改变材料的性质。”
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