原子级制造的核心是在原子尺度精准调控物质结构与性能。原位透射电镜依托超高时空分辨率与多物理场辅助调控能力，成为原子观测与操纵的核心载体。通过在透射电镜内部集成力、电、热、光、磁多外场加载模块，可捕捉原子扩散、重构、相变过程，搭建起“原子演化行为—微观组织结构—宏观服役性能”的跨尺度关联理论体系，助力将实验室微观机理研究落地至规模化原子制造工程应用，为集成电路、航空航天精密构件、量子功能器件、新能源材料等领域的原子级加工技术提供关键量化理论支撑。本文简要梳理力、电、热、光、磁多场下原子动态调控机制与当前技术瓶颈。
一、原子级制造核心技术路线
如图1所示，原子制造分为自上而下、自下而上两条路径：
自上而下：半导体抛光、超精密切削等减材加工，实现纳米级平整表面；
自下而上：通过操控原子扩散、沉积、组装，构筑全新纳米结构与器件。
图1 原子层级材料去除与结构构筑
二、原位电镜多物理场对原子的间接调控
传统表征手段仅能获取加工后静态组织，无法捕捉原子扩散、相变、缺陷演化动态过程。原位透射电镜集成多物理场加载模块，可实现“实时观测—外场调控—机理解析”一体化研究。
图2为原位透射电镜多物理场协同原子操控原理示意图，以原位TEM（Transmission electron microscopy）整机设备为核心载体，向外辐射展示力、电、热、光、磁五大物理场的加载方式与对应的原子演化行为，各类物理场既可单独加载，也可依托集成MEMS（Micro—electro—mechanical systems）芯片实现力—电、力—热等多场耦合协同调控。
力场
通过金刚石压头、AFM（Atomic force microscope）探针等在原位电镜内部精准施加力学载荷，能够精确控制力的大小与作用方向，直接挤压、滑移试样晶格，实现原子冷焊、纳米切削、应变诱导可逆相转变，完成原子定向精准操控。
电场
采用电学专用原位样品杆搭配MEMS电化学芯片联用，或搭建TEM—SPM（Transmission electron microscopyscanning probe microscopy）扫描探针透射电镜复合平台向试样施加电场。依靠库仑力驱动带电离子迁移，实现原子电化学沉积、各向异性原子刻蚀、界面原子定向排布与可逆氧化还原相变，同步调控材料电学、化学与力学性能等。
温度场
借助原位加热/冷冻样品杆、MEMS微型加热芯片、微纳加热台为试样提供精准温场。热能提升晶格内原子动能，降低原子扩散势垒，驱动界面原子扩散、纳米合金固—固相变，还可通过焦耳热效应实现碳纳米管、金属纳米线的原子尺度焊接。
光场
通过改造电镜内部光路、搭载原位光学探头、集成MEMS光控芯片引入激光光源；利用光子与材料的光电、光热、等离子体耦合作用，局部诱导原子熔融、重结晶，实现光致多级可逆相转变，精准调控纳米晶体生长形貌。
磁场
采用洛伦兹透射电镜搭配原位磁化样品杆引入外磁场，规避常规TEM物镜磁场对磁性试样的干扰；依靠磁偶极相互作用调控磁性材料原子排布与磁畴结构，原位观测形状记忆合金马氏体相变，完成磁性纳米结构的原子尺度构型调控。
图2 多物理场辅助原子操控
三、当前技术挑战
当前原位电镜多物理场原子操控技术仍存在诸多现实挑战。例如，高能电子束易对敏感材料造成辐照损伤，气液介质还会衰减成像分辨率；力、电、热、光、磁多场耦合难以定量标定，缺少可预测原子演化的统一理论模型；观测区域仅局限于微小局部，微观机理难以直接适配半导体抛光、超精密切削等规模化工业制造；此外，多物理场加载装置与各类环境芯片集成复杂、设备成本昂贵，限制了该技术从实验室机理研究走向工程化原子制造应用等等。
*本文相关技术梳理整理自公开学术综述文献，仅作行业科普交流，原文完整信息如下：
[1] 赵体清，李意浓，连易灵，等。基于原位电镜力学的多物理场原子制造 [J]. 表面技术，2025,54 (23):78-91.
