步入纳米时代后，纳米材料与纳米元件的性能不只取决于块体材料的性质，而更主要是由材料的表、界面性质来决定；为了防止因为表面污染而导致的改变与损伤，薄膜材料一般须要放置于真空环境中。只有在真空度低至10-8Pa的超高真空环境中，原子级干净的表面才可能保持几个小时，因而促使原子层生长、表面/界面控制和本征性质表征成为可能。这也就是为何现代大多科学技术的突破都是在超高真空条件才得以实现。
随着科学技术的发展，因为量子效应、表界面效应，传统的研究与制造技术在面向纳米材料与元件的时侯遇见极大挑战，必须有一种改革性的技术路线来满足纳米材料与元件对于表、界面的保护和调控，以及对其本征性质的综合研究与表征；并且，交叉学科的盛行是未来科技发展的一个大趋势，须要有一个平台可以兼容和吸引不同领域、不同事科的科学家与技术人员交叉融合共同创新；据悉，有好多高精尖的设备可以应用于多种课题的研究，开放共享那些高昂的设备，不但可以提升设备的借助率，并且可以服务更多的有须要的用户。
针对以上几方面的需求，纳米真空互联大装置（Nano-X）应运而生。
概况
纳米真空互联大装置（Nano-X）由中国科大学上海纳米技术与纳米仿生研究所建设，是一个面向纳米领域、真空环境下集多种功能设备为一体的互联系统，目前主要用于纳米薄膜沉积和外延生长过程的实时检测，表、界面剖析，以及后续元件的制做。如图1所示，纳米真空互联实验站是目前世界上规模最大、功能最全的真空互联研制平台。
图1真空互联设备（Nano-X）
图2所示为纳米真空互联实验站一期项目的设备分布图。它通过100米长的超高真空管路将30多个设备互联上去，产生四个功能区。管线内有多个货车同时运行，每列货车最多可以装载3个样品或样品托。实验样品利用于轨道货车可以在真空互联管线中传输，对2寸基片或样品托盘通过磁力杆传递才能在腔室和管线之间实现交互。
图2通过超高真空管路互联的各类不同功能的设备
为防止在多列货车之间、小车与传送杆或球阀之间形成任何碰撞，系统利用计算机程序的优化控制，可以促使多个货车在100米的管线内快速安全运行。在这样的系统中，材料制备室可以与不同剖析腔室移动，进而实现样品结构和元件性能的原位表征。
据悉，不同材料的沉积须要不同的沉积工艺，结合上去就可以制备出奇特的多层结构样品。也就是说，在本底真空优于2×10-10托的环境下，新鲜制备的样品可以从生长室直接通过真空管路输送到各个表征剖析室，进而保护样品表面免受氧化或与大气曝露相关的其他结构或物理变化。
这些系统的另一个奇特之处就是将关键的工艺设备升级到超高真空本底环境，并与互联管线对接，其中包括多种高纯金属沉积和ICP湿法刻蚀设备等。通过这些互联技术，可以实现对纳米元件的表面和界面进行更好地控制与修饰。
目前共有32台设备已然联接到实验站一期项目的“管道”上：6个超高真空腔室主要用于材料生长，14个用于材料剖析表征和12个用于元件加工。通过管线将这种材料设备和工艺设备相结合，真空互联技术打开了探求各种复杂和混和体系的原子级材料生长控制的房门，以及用于开发对表面和界面敏感的纳米级元件的加工技术的改革性创新。据悉，该项目与上海纳米所的微纳加工平台密切合作，可以将传统的超净间元件工艺与真空互联有机的结合上去，突破目前在半导体芯片制造过程中的卡手臂关键技术。
面向学术界和产业界的开放平台
真空互联设施目前主要鼓励三种类型的应用型研究
1、致力于利用多种设备进行表面和界面本征性质剖析与调控的研究；
2、致力于进行新的特定超高真空腔体的设计和建造，极大地借助超高真空互联环境与技术，并可以与其他设备联接；
3、致力于开发具有“混合型”、“多重材料”生长功能的新技术系统。
真空互联的技术方案就是提供具有多功能区的、通过超高真空管路将相关设备互联上去的系统，为研究者提供了更多的可能性，可以解决传统方式和独立设备无法解决的问题。
纳米真空互联实验站通过选择合适的研究团队，向国外外学术界、产业界开放。那些研究团队可以借助已安装的设备进行研究和开发，或则将她们自己特有的真空设备对接到实验站的管线上进行常年或短期的共享。学术委员会将负责执行科学新政和重要合作课题的评审。实验站的另外一个目标也是开放和推动研究机构与产业界之间的动态桥梁，以便工程技术人员与科学工作者进行密切合作。目前早已有越来越多的半导体公司抒发了对真空互联技术的需求，拿来作为其在未来智能驱动技术的创新材料研制中的一种强有力的竞争力。
这一开放的装置欢迎来自中国和海外的研究团队在跨学科领域上进行多材料集成、多技术剖析、以及元件工艺与界面调控相结合的基础和应用研究。对于所有真空互联实验站的用户，我们除了提供具有最佳工作状态的设备，并且还在真空管路上设置了特殊端口，便于用户联接她们自己的特殊设备，因而实现创新转移和技术共享。
支持项目及其进展
纳米真空互联实验站将主要支持（但不限于）以下研究和开发项目
1、研究III-V族化合物半导体的材料和元件，以获得新材料的固有特点和元件加工机制；
2、利用Nano-X中的半导体加工技术的优势，研究并开发可以实际应用的低维、高温超导元件；
3、研究表面催化和纳米能源技术，重点关注气/固界面的反应动力学；
4、研究储能材料和元件、锂电池电极的基本特点，以及开发高效的动力电板。
在该项目的规划阶段，我们就吸引了两个重要的核心合作伙伴，中国科学技术学院院长包信和教授和复旦学院副院长薛其坤教授。她们分别是表面催化和低温超导材料领域的杰出科学家。据悉，二维材料、量子比特等相关的研究方向也被列入了实验站的支撑项目中。所有那些项目除了将重点集中于研制“混合”和“多重材料”体系中的新功能，还致力通过异质集成和界面控制来提升元件性能。
上海纳米所孙钱研究员和他的团队也是实验站的合作伙伴之一，她们早已开始在Si基GaNHEMT上举办了一系列工作，通过研究和控制界面的缺陷与污染来提高元件性能。南开学院的董红院长是第一位借助实验站的超高真空环境将ALD、、XPS等技术相结合的用户，在III-V族化合物MOS结构的半导体/栅介质层界面进行了原子扩散的实验研究[1]，为探求后摩尔时代集成电路芯片的创新元件提供了有价值的指导。
在教育方面，纳米真空互联实验站的构建鼓舞了下一代科学研究者和工程师在材料科学和设备创新技术上的开拓。通过合作研究与技术培训，可以为纳米产业与应用研究培养数百名研究生与博士后。这种培训将包括材料的外延生长与沉积、先进的材料剖析表征、器件制造和性能测试。在这样一个科学技术激烈竞争的时代，真空互联大装置具有推动创新的巨大潜力，是下一代材料研究者、工程师和技术人员进行世界级研究与开发的一个先进平台。
截至目前，在纳米真空互联实验站早已有超过100个用户课题在举办，不仅前文提到的研究者之外，包信和教授团队[2,3]，陈立桅研究员团队[4]，美国院士团队[5]，张宝顺研究员团队[6]，孙钱研究员团队[7]，崔铮研究员团队[8]，刘立伟研究员团队[9]，等等，也都早已发表了重要的学术成果（详见后文）。
结语
其实，纳米真空互联实验大装置是目前世界上规模最大、功能最全的研制平台，借助超高真空环境，将材料生长、器件制造、表征和测试等方面的最先进功能集成为一个大系统。其最大的特色是实现设备共享、人才共享、思想共享物理实验设备力学轨道小车，将会成为一个学科交叉的研究与创新高地。
目前，实验站已完成了3.2亿人民币的投资，近日将获得不多于3.6亿人民币的二期投资。该项目的总投资预算为15万元人民币，建成后希望能列入国家大科学基础设施序列，成为世界级纳米科学技术研究与开发的开放平台，为国家高技术战略提供先进技术支持。
最后物理实验设备力学轨道小车，我们特别谢谢中国科大学，浙江省政府，上海市政府和上海工业园区的大力支持；同时，也特别谢谢中国科大学上海纳米技术与纳米仿生研究所所有同仁的帮助与支持。
部份相关成果发表情况
[1]WangXL,ZhaoYF,HuangR,etal.studyofGaP/High-[J/OL].,2017,4(20).[2017-10-23].
[2]jiāCX,LiYF,WuH,etal.ofh-BNonPt(111)in[J].Phys.Chem.Chem.Phys.,2018,(20):11013-11020.
[3]赵惠而浦，陈浩，吴睿，等.氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长（英语）[J].化学物理学报，2018,12:1379-1380.
[4]ChenQ,YeFY,LaiYQ,etal.bandP3HT:PCBMsolarcells[J].Nano,2017,40:454-461.[5]yiY,PanY,MeyerT,etal.ofMagiconAu(111):and[J].J.Phys.Chem.C.,2017,121(8):4318-4323.
[6]ZhangZL,LiWY,FuK,etal[J].IEEE,2017,38(2):236-239.
[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.
[9]HuJX,XuJB,ZhaoYF,etal.RolesofandinofFoilsforHigh-[J/OL].,2017,7:45358[2017-04-03].DOI:10.1038/.
本文首发于《真空》杂志2019年第6期
原文标题：纳米真空互联大装置（Nano-X）及其应用进展
