突破“卡点” 打造光学器件背后的完美“砖墙” | 2024上海市科学技术奖

让“原子”横向纵向都能有序排列

纳米多层膜的原子级界面缺陷是影响X射线薄膜器件反射率的决定性因素。

“这种工作很像微观世界中的‘砌墙’，需要砌600层‘砖’，甚至是1200层。每一层‘砖’的厚度大约是1纳米。‘砖’内部是原子排列组成，假如一个原子的大小为0.2纳米，一层‘砖’内就纵向排列了5层原子，如原子较小，那么原子层数就会越多。”王占山介绍说，在“砌墙”材料中，钼、硅、碳等是备选元素，在实际工作中，根据光学性能的不同需求，通常会选两种元素，它们在膜系结构中呈现交替排列状态。一层A元素，一层B元素，交替排列，600层的薄膜即含有300层A元素和300层B元素。600层都要“修葺”得十分规整。

所谓出现原子级界面缺陷，通俗来说，就是“砖”内部的原子纵向和横向排列不整齐，或者是A层原子掉到了B层，B层原子跑到了A层，这些都会导致薄膜反射率低，达不到观测所需的质量要求。

“要突破的工作就是‘砖墙’中原子能够排列整齐，让各层原子不要‘乱跑’，我们发展了系列原子级界面缺陷的抑制方法。比如在“砖块”里加入少量特殊的材料，让每层的原子固定在原有的位置；在砖块之间加入‘水泥’隔层进行封闭，让每层原子之间不要‘串门’；还会加入一些气体，与‘串门’的原子产生化学反应，在层与层之间构筑保护膜，防止原子‘跑动’。” 王占山介绍说。

薄膜做“大”做“厚”是为了提高性能

王占山团队为同步辐射光源的建设研制了半米长的X射线薄膜器件。“这其实体现了工艺能力。薄膜长度越长代表性能越好，反射通量越高。膜层越薄、膜层数量越多也代表了更高的精度，1200层薄膜的精度要高于600层薄膜。”

产业化工作正在如火如荼进行。目前，团队完成了大尺寸薄膜器件米级行程内精密变速的运动控制，自主研制了大尺寸X射线薄膜磁控溅射镀制装备，实现了长时间超稳定的溅射镀膜，突破了大尺寸X射线薄膜器件的批量化制作难题。在位于湖州的一家高科技企业中，大量X射线薄膜器件正在源源不断被制造出来。

“我们也使用了人工智能技术去测量和控制薄膜材料质量。比如为上海光源线站工程的时间分辨超小角散射线站单色器制作的Pd/B4C多层膜反射镜，膜层厚度均匀性误差小于30 pm（1 pm=10⁻¹² 米），保证了X射线单色器的高通量性能。”王占山介绍说。

2022年7月27日，SATech-01卫星发射上天，该卫星搭载的46.5纳米极紫外太阳成像仪（SUTRI）的正入射成像系统由王占山团队设计和制造，该系统于同年9月获得了我国首批太阳过渡区动态成像观测数据，已收录于国际虚拟太阳天文台中。团队还是国家重大科技基础设施“硬X射线自由电子激光装置（SHINE）”的优秀供应商，该装置是我国探测物质微观结构的“超级显微镜”。

为“国产仪器”制造提供基础原材料

仪器的打造其实是一种“拼图”模式，一台仪器是由很多零部件组成的。过去很多国产仪器精度不如进口仪器，关键在于核心零部件的精度较低。

“全球较好的仪器供应商有日本理学、美国布鲁克、德国西门子、荷兰飞利浦等。全球大部分的高端X射线衍射仪、荧光光谱仪等都由其提供，核心零部件就是X射线薄膜，过去这个部件需要进口，而今天我们已经使其国产化，精度与国外媲美，成本是国外的一半。”王占山告诉记者，目前国产高端仪器的进口替代工作正在紧锣密鼓进行中，国内一大批企业都在进行研制，而我们是它们最有力和可靠的供应商。