第一作者和单位

徐书生，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室

通讯作者和单位

刘维民，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室

文章链接

https://doi.org/10.16078/j.tribology.2024272

综述背景

随着制造技术不断向极限精度推进，人类正从微纳制造迈入原子级制造时代（≤1 nm）。原子级制造通过对单个原子或原子层的精确操控，实现材料的去除、转移或重构，是支撑半导体、量子器件、精密光学等前沿领域的核心技术。然而，在原子尺度下，传统摩擦学理论逐渐失效。摩擦行为不再由宏观接触主导，而转变为由范德华力、化学键及电子结构决定。摩擦不仅影响加工效率，还直接导致原子错位、表面缺陷及结构失稳，成为制约原子级制造精度提升的关键瓶颈。因此，系统研究原子级制造过程中的摩擦学问题，对于实现高精度、高一致性制造具有重要意义。

本文以机械行为驱动为主线，围绕原子级制造中的三类关键技术：原子层抛光、原子级切削、原子操控。系统分析了加工过程中：摩擦力、磨损行为、摩擦热效应对原子去除、界面演化及加工精度的影响机制，并总结其调控策略。

图1 原子级制造中的摩擦学

原子层抛光过程中的摩擦学

原子层抛光是实现超光滑表面的关键技术，其典型代表为化学机械抛光（CMP）。在该过程中，材料去除依赖于机械摩擦与化学反应的协同作用。

首先，摩擦力与材料去除率呈正相关关系。通过调控接触压力、抛光垫硬度及界面微观形变，可以实现对摩擦力的精细控制，从而调节原子层去除效率。同时，界面电子转移与环境因素（如湿度和气氛）也会改变表面能与黏附行为，进一步影响摩擦过程。

其次，磨损行为直接决定表面质量。研究表明，抛光液的化学组成、黏度以及磨粒的硬度、尺寸与形状都会显著影响表面形貌。其中，与工件硬度匹配的磨粒更有利于实现高质量抛光，而纳米级磨粒则能够实现接近原子级（Ra≈0.1 nm）的超平滑表面。

此外，摩擦热在抛光过程中具有双重作用。适度的温升有助于降低材料硬度，提高去除效率，但过高温度会引发热损伤、微裂纹甚至抛光液性能退化。因此，温度调控成为实现高质量原子层抛光的关键环节。

图2：(a) 化学机械抛光过程中不同尺寸磨粒的应力分布模型图、接触力模拟结果及其Al表面在不同尺寸SiC磨粒抛光后的材料去除率和表面粗糙度结果；

(b) 26 nm尺寸的SiO₂纳米球磨粒的TEM照片，Cu工件被抛光至粗糙度0.099 nm的原子级超平滑表面^[1,2]

原子级切削中的摩擦学问题

当切削尺度降低至原子或近原子尺度时，材料去除机制发生根本性变化。不同于宏观切削中的剪切断裂过程，原子级切削主要依赖于原子挤压、位错运动及界面摩擦行为。

在这一过程中，最小切屑厚度可降低至单原子层，材料去除呈现出明显的离散特征。同时，由于刀具刃口半径与切削深度处于同一量级，传统切削模式逐渐转变为犁削与黏着摩擦主导的过程。

值得注意的是，强烈的摩擦作用会引发显著的局部温升，这种极端条件下，材料可能发生相变（如SiC向类石墨结构转变），从而表现出延性响应。这表明，在原子尺度下，摩擦不仅影响加工行为，还可能改变材料本征结构。

此外，切削过程中的摩擦行为高度依赖实际原子接触面积，并受到刀具涂层、表面织构及润滑条件的复杂影响，使得其调控难度显著增加。。

图3：制造精度发展历程及典型制造方法^[3] 

图4：单晶铜的原子及近原子尺度切割机理^[4]

原子操控：黏滑行为限制极限精度

在基于扫描探针技术的原子操控过程中，摩擦问题表现为典型的黏滑（stick-slip）行为。由于原子间横向静摩擦力的不稳定性，探针在移动过程中容易产生跳跃振动，导致定位误差和操控失效。

这一问题本质上来源于原子势能表面的周期性变化及界面相互作用的不均匀性。在原子尺度下，即使极微小的力波动也可能引发原子位置的突变，从而显著降低操控精度。因此，实现稳定可控的低摩擦界面，是原子操控技术发展的关键挑战之一。

图5：(a) Ni表面Xe原子排列的“IBM”；(b) 不同量子点排列构筑的结构器件扫描隧道显微形貌照片^[5,6]

关键科学问题与未来发展方向

综上可以看出，摩擦学问题贯穿于原子级制造的各个环节，其复杂性远超传统尺度。当前仍面临一系列核心科学与技术挑战：原子尺度摩擦理论体系尚不完善、摩擦-热-化学多场耦合机制缺乏系统认知、加工过程一致性与可重复性难以保障、原位表征与实验验证手段仍有限。未来研究需要重点聚焦以下方向：构建原子尺度摩擦理论模型，发展多尺度模拟与原位表征技术，深入理解界面电子结构对摩擦行为的影响，并探索低损伤、高一致性的加工调控策略。

结语

原子级制造代表着人类制造能力的极限，而摩擦学问题则是这一领域无法回避的核心科学挑战。从宏观到原子尺度，摩擦行为的本质发生了根本变化，其影响也被极大放大，例如，化学机械抛光过程的底层逻辑即为在外场作用下众多纳米磨粒摩擦去除行为的非线性集群^[7]。深入理解并调控原子尺度摩擦行为，将为实现高精度制造和新一代器件发展提供重要支撑。

部分作者简介

徐书生，中国科学院兰州化学与物理研究所、研究员、博士生导师、中国科学院“BR计划”入选者。主要从事极端工况摩擦学、原子尺度与微纳结构制造、表面工程研究，先后主持国家自然科学基金委青年项目、面上项目、重点项目子课题、中国科学院引才项目、中国科学院先导专项子课题、中国科学院重大科研仪器研制项目。作为骨干和主要成员参与了国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目、韩国自然科学基金委（NRF）项目、英国工程物理和自然科学基金会（EPSRC）和英国石油公司国际先进材料研究中心（BP-ICAM）联合项目、英国工程物理和自然科学基金会（EPSRC）和牛津同步辐射光源DIAMOND联合项目等研究工作。在Friction、Tribology International、Corrosion Science、Energy Storage Materials、Materials & Design、Journal of Materials Chemistry A、Carbon、Applied Surface Science、ACS Applied Materials & Interfaces等国内外知名期刊发表高水平科技论文70余篇，获得授权发明专利10余件，获得International Symposium on Green Manufacturing and Applications优秀青年奖。

参考文献

1.Han L, Zhao H, Zhang Q, Jin M, Zhang L, Zhang P. Research on influences of contact force in chemical mechanical polishing (CMP) process[J]. AIP Advances, 2015, 5: 4903700. doi: 10.1063/1.4903700.

2. Liu D, Zhang Z, Feng J, Yu Z, Meng F, Shi C, Xu G, Shi S, Liu W. Environment-friendly chemical mechanical polishing for copper with atomic surface confirmed by transmission electron microscopy[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2023, 656: 130500. doi: 10.1016/j.colsurfa.2022.130500.

3.Hou X, Li J, Li Y, Tian Y. Intermolecular and surface forces in atomic-scale manufacturing[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2022, 4: 022002. doi: 10.1088/2631-7990/ac5e13.

4.Xie W, Fang F. Mechanism of atomic and close-to-atomic scale cutting of monocrystalline copper[J]. Applied Surface Science, 2020, 503: 144239. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.144239.

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6.Kiczynski M, Gorman S, Geng H, Donnelly M, Chung Y, He Y, Keizer J, Simmons M. Engineering topological states in atom-based semiconductor quantum dots[J]. Nature, 2022, 606: 694-699. doi: 10.1038/s41586-022-04706-0.

7.2026原子级制造创新发展大会科普长图，央视网-科普频道. https://kepu.cctv.cn/2026/06/10/ARTIZfsMp3aXg0L55ej0u2h2260610.shtml

  文丨徐书生

编辑丨王晓莉 

审核/监制丨严云峰