批量原子操控、能场/能束作用机制、原子级器件TCAD仿真——原子级制造的三大原理构成了从“原子操控”到“功能器件”的科学基础。本白皮书系统阐述了扫描隧道显微镜的0.1Å级原子操控、飞秒激光的非热烧蚀机制、非平衡格林函数量子输运理论等核心原理，为原子级制造从实验室走向工程化提供了理论支撑。
批量原子操控原理——从单原子到规模化阵列
批量原子操控是原子级制造的第一原理。经典牛顿力学中的“力”概念难以直接作用于单个原子，原子作为微观粒子遵循量子力学测不准原理，有限温度下原子始终存在热运动。通过“直接创制”或“先创制后操控”的策略，可构建包含有序化、规模化势阱阵列的人工势能面，将待操控原子的位置期望值约束于势阱内。
扫描隧道显微镜（STM）是当前实验室实现原子精准操控的主要技术工具，可稳定实现优于0.1Å的针尖空间定位精度。通过针尖功能化处理与修饰，确保针尖头部仅保留单个原子活性位点。以0.1Å级空间精度驱动针尖逼近待操纵原子时，可借助针尖原子与目标原子间的近场相互作用，实现对原子的横向推拉、纵向“抓取—移动—放置”等操纵。
扫描透射电子显微镜（STEM）则通过弹性散射主导的动量转移和非弹性散射主导的能量传递两种机制实现单原子操控。在弹性散射机制下，电子束与目标原子发生弹性碰撞并传递动量，可实现原子的精准去除。在非弹性散射机制下，电子束能量通过非弹性过程传递给目标原子，改变其局部势能面，使其脱离原有稳态并弛豫至新的平衡态。
未来研究应重点聚焦效率提升与智能化升级：引入自动检测、图像识别与人工智能控制算法，实现无需人工干预的原子级结构自主精准构筑。
能场/能束与物质的原子尺度作用原理
能场/能束与物质的原子尺度作用是原子级制造的第二原理。原子级制造工艺路径主要分为两类：“自上而下”的加工模式和“自下而上”的构筑模式，两者的理论基础均源于能场/能束与物质的原子尺度作用原理。
能束与物质的相互作用涉及复杂的弹性/非弹性碰撞过程及相应的能量传递机制。本质上，基于能束的原子级制造是通过可控的碰撞与能量传递，实现原子级精度的材料“裁剪”与重构。研究者利用聚焦电子束实现石墨烯中单个碳原子的精准去除——加速电压100keV的电子束向目标碳原子传递动量，使其获得足以挣脱原有势阱束缚的能量。
激光在原子级制造中展现出显著优势。飞秒至皮秒量级超短脉冲激光作用下，电子体系可在极短时间内被激发至高度非平衡态，而原子晶格初始阶段近似保持原状，为原子尺度的选择性操控提供核心物理基础。高强度飞秒激光更可通过引发电子压力与瞬态库仑排斥作用，驱动表层原子在晶格未显著热熔化的前提下实现非热烧蚀。
未来研究需重点聚焦三方面：厘清能场/能束与物质的精准作用机理；突破能场限域调控、批量原子精准操控等关键技术瓶颈；深化能场—能束—物质耦合相互作用的基础理论探究。
原子级器件设计与工艺仿真——从TCAD到量子输运
原子级器件设计与工艺仿真是原子级制造的第三原理。技术计算辅助设计（TCAD）软件作为EDA系统的核心底层支撑，承担着减少实验次数、缩短研发周期的重要功能。随着集成电路制程迈入2-3纳米节点，国内外均在攻关以量子力学与量子输运理论为基石的原子级TCAD软件。
以单原子、原子线、原子团簇、原子层为代表的“原子基元”，是原子级器件中承载原子级特征物性的最小功能单元。现有原子基元研究多聚焦于自身的本征结构与物理化学特性，而原子基元本征物理性能与器件目标功能的构效关系尚存在显著空白。
在原子尺度下，微观器件的导电特性不再遵循宏观材料的统计性规律范畴。随着器件向单分子、单自旋甚至单轨道层面推进，传统宏观电磁学与连续介质模型均已失效，其行为高度依赖量子多体效应、边界态特性与外场干预条件。基于非平衡格林函数的量子输运理论，是描述原子级器件电输运性能的有效工具。
原子级器件的热管理同样严峻。系统特征尺寸与声子相干长度处于同一量级，传统热扩散模型完全失效。针对量子散热瓶颈，系统探索原子尺度热输运理论及精准调控方法，是突破原子级制造技术应用限制的关键。
