原子级制造领域十大基础科学问题
为系统性牵引该领域从基础研究到产业应用的关键科学攻关，原子级制造创新发展大会组织开展了面向该领域的基础科学问题征集工作。经广泛征集与原子级制造创新发展联盟专家咨询委员会审议，最终凝练并遴选出具有代表性的原子级制造领域十大基础科学问题，旨在为我国原子级制造技术的体系化发展与前沿布局提供清晰的战略指引。
原子级制造
1
问题1：
高可控原子级减材制造
解释：揭示离子束、电子束及化学反应辅助等外场作用下原子迁移、键断裂与表面重构的协同演化规律，阐明能量输入与原子去除行为之间的定量关联机制，建立原子级减材制造精准调控理论体系，实现材料去除过程的可预测、可设计与可控制；在技术革新层面，可突破传统机械加工受刀具尺寸和接触作用限制的精度瓶颈，实现材料去除位置、深度及范围的原子级精准控制，为先进半导体器件、极紫外光学元件、量子功能材料及超精密表面加工提供全新的技术路径，推动减材制造向非接触、高精度和智能化方向发展。
2
问题2：
复杂材料原子级一致性制造
解释：揭示晶体取向、相界结构、组分分布及缺陷状态等复杂材料结构特征对原子去除行为的影响机制，阐明不同组织区域材料响应与去除规律的内在关联，建立复杂材料原子级一致性制造理论体系，实现材料结构与加工行为的协同调控；在技术革新层面，可突破半导体、先进陶瓷、异质集成材料及复合材料加工过程中去除不均匀、表面质量波动大和制造一致性不足等关键难题，实现复杂材料跨区域、跨尺度加工质量的统一控制，为高端芯片、先进光学系统、新型功能器件及战略材料制造提供关键支撑，推动高性能材料制造向高一致性、高可靠性方向发展。
3
问题3：
如何实现人工分子的原子级批量创制
解释：原子是构成物质的基本单元，物质创造是原子级制造最具颠覆性的核心能力之一，而从原子创制分子就是这一创造的第一步。建设团簇束流科学装置，实现原子数目、结构精准控制的规模高效的人工分子创制，对AI物质数据、化工、能源、医药等领域的材料开发具有重要的意义。
4
问题4：
原子级加工-动态分辨一体化表征问题
解释：原子尺度加工可归结为加工对象在外场作用下的原子尺度结构演化，加工精度、一致性和重复性受演变行为和规律影响。亟需发展电子束加工-表征一体化技术，探索材料在电子束辐照等条件下的演化行为，归纳总结结构、性能的演化规律，揭示非平衡条件下能束与材料的作用本质，为原子级加工提供理论基础；系统解析不同能束作用下结构演变动力学过程，探索不同能束参数对结构调控的影响，建立能束参数与原子精确调控的映射关系，进而提升能束加工的精度、一致性和重复性。
5
问题5：
三维集成芯片原子间可靠键合连接
解释：三维集成芯片需要将多个芯片或晶圆表面原子直接键合连接，连接可靠性是决定芯片良率的关键，面临表面减薄抛光形性调控、表面活化、界面重构动力学和应力控制等关键挑战，相关技术的突破对高性能人工智能芯片的发展至关重要。
6
问题6：
原子层组分与界面精准调控问题
解释：原子层级厚度、材料组分的精准把控，是原子尺度功能材料可控制备的核心难点。界面的微观结构、化学键合与缺陷状态，深刻影响载流子输运、能带排布及器件稳定性。开展相关研究，可突破传统制备工艺的精度局限，阐明组分-界面-性能的关联机制，有效降低界面损耗、优化光电与电学特性，为高性能微电子、光电器件的研发与产业化筑牢理论与技术根基。
7
问题7：
原子尺度缺陷的形成、演化与可控消除问题
解释：原子级制造过程中，空位、间隙原子、杂质、位错、晶界、表面台阶等缺陷，直接决定材料与器件的综合性能。亟需阐明各类原子尺度缺陷在沉积、刻蚀、抛光、转移及服役全流程中的形成、迁移、聚集与湮灭机理，建立缺陷组态、分布特征与材料宏观性能的定量关联模型，推动制造理论从低缺陷制备向缺陷可设计、可修复、可容错方向跨越。
8
问题8：
如何实现原子层三维精准构筑
解释：三维精准原子层构筑是后摩尔时代高精度微纳制造最核心、最本源的技术能力之一，而原子级三维有序堆叠与构型重构是实现高端器件性能跃升的核心前提。如何依托选择性原子层沉积、原子层刻蚀等工艺手段，结合多能场协同调控，实现复杂三维结构下原子落位精准、排布有序的确定性构筑，对高算力芯片、量子器件、先进微电子与新能源器件等领域的高端制造迭代升级具有重要支撑意义。
9
问题9：
面向原子检测与制造的扫描探针技术
解释：扫描探针显微术兼具单原子级精度的成像和操纵能力，已在微观结构构筑、单分子尺度针尖诱导化学反应、单电子自选操控、量子态调控、纳米刻蚀等方面展现了强大的能力，对原子制造技术应用于量子计算、自旋电子器件、单原子催化等未来新兴应用具有重要意义。扫描探针技术应用于原子级制造亟需解决通量受限问题，这需要深入开展多探针并行操控、大尺寸高通量样品适配、长时间高稳定环境实现、AI辅助针尖处理及控制等关键科学与技术问题。
10
问题10：
晶圆级原子层材料过程原位检测
解释：原子层材料的高质量制备与材料属性、表界面条件、生长工艺等密切相关，特别是晶圆尺度大面积生长的影响因素更为复杂，亟需发展过程原位检测理论和技术，突破工业场景对测量技术的约束，实现亚原子精度、毫秒级时间分辨、微米/亚微米级空间分辨的测量性能，为生长机理的研究、生产装备的研制和工艺参数的动态优化等提供先进测量手段，满足晶圆级原子层材料规模化高效可控制备。
