（来源：中国航空报）
近日，DARPA公布了“水晶宫”（Crystal Palace）计划，这是由其微系统技术办公室负责的一项新举措，旨在革新用于下一代微系统的单晶无机材料的生产方式。该计划于12月初宣布，其目标是解决现代材料科学中最棘手的挑战之一：将日益复杂的、由人工智能设计的材料从理论转化为高质量、可制造的现实。
“水晶宫”计划的核心在于规模、精度和控制。虽然当今的半导体行业已基本掌握了硅等相对简单材料的生长技术，但未来与国防相关的微系统——从先进雷达到自主空中平台——都依赖于由多种元素组成、排列成更为复杂晶体结构的材料。
DARPA认为，现有的生长工具依赖于粗略的全局控制，例如，温度和压力，并不适用于未来的发展。该机构在一份项目公告中指出：“当今生长工具面临的挑战在于，它们仅限于全局参数控制，例如，在宏观尺度的反应室（尺寸为几十到几百厘米）中调节温度、压力和流速，而驱动材料生长的过程却发生在纳米尺度的局部区域。”
过去20年来，全局控制与局部物理之间的这种不匹配问题愈发严重。随着材料变得越来越复杂——包含多种元素且浓度很高，并呈现出多种可能的晶体结构——误差容限也越来越小。纳米尺度上的微小偏差在放大后可能会演变成缺陷、不均匀性，甚至完全失效。其结果是，有前景的材料可能会在实验室中停滞多年，从而延缓其在实际系统中的应用。
“水晶宫”计划旨在通过培育新的生长工具和技术，从根本上解决材料生长难题，实现对材料形成过程的局部、通用控制。该计划并非仅仅依赖大型反应堆内部的整体条件，而是挑战研究人员开发能够精确控制生长实际发生区域（原子尺度或接近原子尺度）的传输和反应的方法，同时还要确保在足够大的晶圆上实现均匀性，以满足生产制造的需求。
DARPA表示，“水晶宫”计划的目标是开发具有局部和通用控制能力的新工具和技术，从而能够快速开发出单晶质量且尺寸合适的复杂无机新材料。
人工智能和机器学习的进步极大地加速了具有理想电子、光学、磁性或机械性能的理论稳定材料的发现。深度学习模型现在可以预测出一系列理论上优于现有材料的化合物。然而，正如DARPA所指出的，许多此类设计仍未实现，因为目前尚无人能够可靠地在大面积上生长出高质量的单晶。
“水晶宫”计划旨在弥合这一差距。该计划并非专注于计算发现或器件集成，而是专注于在与微系统相关的基底上直接生长复杂无机材料。体相生长、金属基底和材料转移技术均被排除在外。其重点在于使新型材料能够以国防和工业实际应用的形式进行制造。
“水晶宫”计划为期36个月，分为两个18个月的阶段。在第一阶段，参与机构必须证明其能够在至少两英寸的尺度上控制至少一种复杂材料的成分、结构和单晶均匀性。
与商用半导体晶圆相比，这听起来或许并不算大。然而，对于此前从未以大面积单晶形式生长过的材料而言，这无疑是一项重大突破。
第二阶段的要求更高。参与机构必须证明其生长技术并非一次性解决方案，而是具有广泛的适用性。到项目结束时，各团队需展示4种不同的复杂材料——每种材料的元素或结构复杂性递增——并能以均匀单晶的形式大规模生长。
DARPA指出，随着新材料的出现，它保留引入“挑战性材料”的权利，这凸显了该项目对适应性而非狭隘优化的重视。
为确保项目的可信度，DARPA将依靠一个由相关领域专家组成的独立验证团队。这些评审人员将采用严格的指标来评估材料质量，包括X射线衍射测量、透射电子显微镜、成分分析以及对整个样品进行均匀性检查。可重复性也是一项关键要求，参赛者需要多次成功重复生长实验。
值得注意的是，“水晶宫”项目并非学术研究。该项目与国防和军民两用转型密切相关。先进的无机材料是众多技术的基础，涵盖高功率电子器件、传感器、通信、导航和自主系统等领域。 （高飞）
