“納米前沿”重點專項2021年度項目申報指南日前發布

為落實“十四五”期間國家科技創新有關部署安排，國家重 點研發計劃啟動實施“納米前沿”重點專項。根據本重點專項實施方案的部署，現發布2021年度項目申報指南。

本重點專項總體目標是：圍繞物質在納米尺度（1~100 納米）上呈現出的新奇物理、化學和生物特性，開展單納米尺度效應和機理、新型納米材料和器件制備方法、納米尺度表征新技術等方 面的基礎前沿探索和關鍵技術研究，催生更多新思想、新理論、新方法和新技術等重大原創成果。同時，開展納米科技與信息、 能源、生物、醫藥、環境等領域的交叉研究，提升納米科技對經 濟社會發展重點領域的支撐作用。

2021 年度指南圍繞單納米尺度等前沿科學探索、納米尺度制備核心技術研究、納米科技交叉融合創新等 3 個重點任務進行部署，擬支持 23 個項目，擬安排國撥經費概算 4.5 億元。同時，擬支持 10 個青年科學家項目，擬安排國撥經費概算 5000 萬元，每 個項目 500 萬元。

項目統一按指南二級標題（如 1.1）的指南方向申報。同一指南方向下，原則上只支持1項，僅在申報項目評審結果相近、技術路線明顯不同時，可同時支持 2 項，并建立動態調整機制，根 據中期評估結果，再擇優繼續支持。申報單位根據指南支持方向，面向解決重大科學問題和突破關鍵技術進行設計。項目應整體申報，須覆蓋相應指南方向的全部研究內容。項目實施周期一般為 5 年。項目下設課題數不超過 4 個，每個項目參與單位總數不超過 6 家。項目設 1 名負責人， 每個課題設 1 名負責人。

指南方向 4 是青年科學家項目，支持青年科研人員承擔國家科研任務。青年科學家項目不再下設課題，項目參與單位總數不超過 3 家。項目設 1 名項目負責人，青年科學家項目負責人年齡要求，男性應為 1986 年 1 月 1 日以后出生，女性應為 1983 年 1 月 1 日以后出生，原則上團隊其他參與人員年齡要求同上。

本專項所有涉及人體被試和人類遺傳資源的科學研究，須遵守我國《中華人民共和國人類遺傳資源管理條例》《涉及人的生 物醫學研究倫理審查辦法》《人胚胎干細胞研究倫理指導原則》等法律、法規、倫理準則和相關技術規范。涉及實驗動物和動物實驗，要遵守國家實驗動物管理的法律、法規、技術標準及有關規定，并通過實驗動物福利和倫理審查。

1. 單納米尺度等前沿科學探索

1.1 納米性能標準的計量溯源原理與方法

面向納米技術在能源環境、信息、生物醫藥等領域的應用，開展性能檢測和質控特性標準研究，建立計量裝置，探索納米尺 度能量轉換效率、表面吸附、生物結合能力等功能特性的準確測 量機制和溯源途徑或溯源過程，研制功能特性納米標準物質，制定規范標準。建立基于晶格常數的量值傳遞、納米材料光電轉換、 納米表面增強效應等普適性計量溯源方法 3~5 種；完成載藥釋放、 發光效率等功能特性國家標準物質/標準樣品 10 項以上；研究制 定 ISO/IEC 國際標準 15 項以上。

1.2 納米尺度生物活性單分子與系綜多模態表征新方法

針對生物能量代謝及催化反應過程中的生物活性分子，發展 能綜合測量生物分子多模態物性的表征方法，在納米尺度下開展 生物活性分子的高靈敏電學（10fA）和單個電子轉移測量，揭示 其電子自旋分布、電子傳遞供體-受體-通路特性，以及在能量代 謝、生物識別與解離等過程和生理功能中的物理化學機制；獲取 在單分子條件下生物活性分子的多模態本征指紋信息及系綜條件 下的平均信息，構筑指紋信息并提供相應的量化分析標準，實現 對單個關鍵結構單元差異的分辨，生物力學操控及動態測量的空間分辨率達到 0.1nm。

1.3 非均勻納米材料結構與力學行為的原位分析方法

非均勻納米材料通過微納尺度與宏觀構件尺度上的結構和 成分的合理耦合實現材料高性能。通過從宏觀構建與微觀區域 多尺度研究非均勻納米材料微納結構演化過程及建立結構-力學性能的關聯規律，揭示整體與局域結構對宏觀力學性能與變形機制的影響規律。原位研究材料在多場使役條件下組織與性能 的耦合響應機制。實現對典型跨尺度非均勻納米材料的結構演 變與力學行為（包括 10~1773K 條件下）的原位測量；實現非均勻納米材料的整體和局域結構與力學行為的原位表征與測量；為非均勻納米材料的強韌化提供若干實現途徑及理論基礎，并開展驗證。

1.4 太赫茲與中遠紅外波段極化激元二維原子晶體及其感放 存微納器件 面向智能感知領域探測及其信號放大、存儲一體化功能器 件，聚焦太赫茲與中遠紅外波段的高效極化激元二維原子晶體及 其新特性新結構，研究建立時空高分辨太赫茲與中遠紅外原位多 模態物理特性表征技術，表征譜段 1~30 THz、空間分辨率在亞 10 納米尺度、時間分辨率在 30 飛秒以內，兼容光譜、光場、光 電響應及形貌等成像；實現在亞 10 納米尺度下觀察極化激元和載流子自旋演化動力學機制；研制基于單納米尺度二維原子晶體 及其結構極化激元效應的太赫茲波及中遠紅外光探測及其信號放 大、存儲一體化微納器件，在室溫工作、譜段 1~30 THz、相頻可 選擇。

1.5 手性納米結構的可控構筑、性能傳遞及功能調控

發展新型刺激響應性手性納米結構體系，研究手性納米材料 對多重刺激的響應調控、規律與機制。研究定向合成技術，實現 手性納米結構的獨特光化學作用和光力學效應，發展分子構象和 功能光調控的新方法。獲得 2~3 類吸收、反射和發射的光學各向 異性系數（g-factor）超過 1.5 的手性納米結構；開發 2~3 類具有多重響應性能的手性納米材料；構建具有生物調控功能的手性納 米結構；探索手性納米材料的應用。

1.6 納米限域超流的化學反應和信息傳輸

開展納米限域超流體的有序組裝反應機理研究，發展高產 率、高選擇性和低能耗的化學反應技術，理解生物信息傳輸的原 理。獲得接近生物水通道中水分子輸運的通量（>109 molecules/s） 和生物鉀離子通道中鉀離子輸運的通量（>108 ions/s），實現納米 限域空間中分子和離子的高速輸運;建立限域通道的尺寸、化學結 構、界面浸潤性以及通道內的反應物分子流體流速等參數與速率、 產率和立體選擇性等性能的關系，構建接近 100%反應產率、100%選擇性和低能耗（40℃以下）的反應體系。

2. 納米尺度制備核心技術研究

2.1 高遷移率超薄半導體材料與高性能器件集成

圍繞新型溝道材料的規模化制備、硅基兼容與器件性能提升的問題，研制 200 oC 下電學性質穩定的超薄高遷移率溝道材料及 高 k 柵介質的晶圓（直徑大于兩英寸）。研制短溝道場效應晶體 管，溝道厚度小于 3nm 時，室溫場效應遷移率高于 125cm2（/ V·s）；溝道長度小于 12nm 時，在 0.7V 驅動電壓下的開態電流密度大于 1mA/μm，開關比超過 106。實現工作頻率 1.5GHz 以上的環振電 路演示。驗證器件在柔性邏輯電路等領域的優勢。

2.2 圍柵硅納米結構器件與三維垂直集成技術

針對 3 納米及以下節點大規模集成電路制造問題，研究圍柵 （環繞柵）硅納米結構（如納米線/片）器件與三維垂直集成新工 藝，探索構建不同功能典型電路的技術路徑，研制至少四層硅納 米結構堆疊溝道的環繞柵器件，單層溝道厚度小于 10 nm；在 N/PMOS 器件上實現三種以上閾值調控（區間大于 200 mV）；N/P 型源漏上的接觸電阻率小于 1×10 -9 Ω·cm2；在 0.7 V 驅動電壓下的 驅動電流密度大于 400 ?A/?m，亞閾值擺幅小于 70 mV/dec，電 流開關比高于 107；實現雙層器件高密度三維垂直集成，同等設 計規則條件下，新工藝的 16K SRAM 陣列面積相比傳統電路縮小 30%以上。

2.3 晶圓級二維半導體集成電路

針對二維材料器件的大規模集成電路制造和設計問題，研究二維材料的低缺陷均勻生長方法、N/P 型精準摻雜與界面 調控、高性能互補 MOS 器件設計及工藝集成方法、器件物理 精確解析模型。研制直徑大于 8 英寸、薄膜厚度均一性大于 99.9%的晶圓級高質量二維材料，獲得高性能互補 MOS 器件， 室溫下 N/P 型晶體管器件平均場遷移率大于 50cm2 /（V·s）、 電流開關比大于 105；研制基于二維半導體材料的邏輯、模擬 和射頻電路的整套集成工藝，實現千門級邏輯電路功能展示；建立器件模型和工藝庫，獲得大規模集成電路的 SPICE 電路 仿真結果。

2.4 亞5 納米分辨率并行電子束集成電路芯片高通量檢測裝備關鍵技術

面向亞 10 納米節點集成芯片高通量檢測裝備的需求，研制 快速響應的并行電子束源模組及其電子光學系統，研究多電子 束信號串擾機制、形貌表征和電特性多維度檢測方法、高通量 數據采集與成像系統，研究上述功能協同驅動實現并行電子束同步檢測的集成原理和技術。實現 12 束電子束同步并行檢測和 空間分辨小于 5nm、景深不小于 1mm 的成像技術；電子發射端曲率半徑小于 5nm；單電子束的束流強度不小于 200pA、亮度 不小于 5×108 A·m-2Sr-1V-1、能譜半高寬不大于 1eV；12 束電子 束流強度均勻性高于 95%；研制出并行電子束集成芯片檢測裝 備原型樣機。

2.5 納尺度電疇調控的高靈敏光電感知器件及系統

面向光電感知應用對高靈敏、快速響應探測器的需求，研究 極化電疇調控的高速高靈敏光電探測器件原理，研究納尺度電疇 對器件勢壘結構及其空間電荷區特征參數的調控機制，揭示其對 器件光生載流子拆分、傳輸及收集的規律，研制采用極化材料與 半導體異質結構的光電探測器件，研發集成技術。納尺度電疇實 現不同勢壘類型調控，器件空間電荷區尺度調控范圍 2~120nm；光 電 探 測 器 件 響 應 度 >0.5 A/W, 響 應 時 間 <1ns ， 比 探 測  率>1012cmHz1/2W-1，響應波長 400~1550nm；集成列陣規模≥ 128×128；實現探測和識別演示。

2.6 二硫化鎢半導體晶圓和可集成光源器件

針對光子信息技術可集成光源性能難以滿足需求的問題，聚 焦高質量、高發光效率單層二硫化鎢晶圓的研究，研制滿足半導 體器件制作用的單層二硫化鎢晶圓（直徑大于 4 英寸），載流子 遷移率>200cm2 /（V·s），并拓展到其合金及其它過渡金屬硫族化 合物晶圓制備；研制室溫工作二硫化鎢的發光二極管，出光效率達到≥5%，同時發展二硫化鎢摻雜及其合金材料制備工藝等，進 而實現波長可調諧發光二極管，波長調諧范圍>100nm，驅動電壓 <2V；實現連續光激發下受激輻射，發射譜線半高寬<1nm、閾值  ><0.5W/cm2，集成多層垂直器件；探索研發二維電泵浦激光器。

2.7 大尺寸石墨烯單晶與高速光通信器件 

針對下一代高速光通信技術中的關鍵支撐材料和器件集成  需求，開展面向硅基集成的石墨烯單晶精準合成及規模化制備技  術，建立大尺寸石墨烯材料向硅襯底的潔凈無損規模化轉移方法，  研制與硅基光波導技術結合的片上集成石墨烯高速光通信器件。 石墨烯單晶尺寸達 6 英寸，平整度優于 0.5nm，石墨烯層數為≥  95%單層;石墨烯單晶轉移至硅襯底的完整度≥99%，石墨烯室溫  載流子遷移率高于 15000 cm2  /（V·s）;石墨烯集成光通信器件數  據速度≥30Gbit/s。 

3. 納米科技交叉融合創新 

3.1 納米材料跨越生物屏障機制與效應調控方法

為夯實納米生物學理論基礎，建立 3~5 類高生物相容納米材  料跨越多種生物屏障體內外過程的高靈敏、高特異、多尺度、高  通量的原位動態研究方法；納米顆粒跨越不同種類生物屏障的活  體動態成像，實現活體組織深度>1.5cm，分辨率>0.2mm，幀數 率>100 幀/秒；單細胞三維成像空間分辨率>50nm、靈敏度>fg/細胞。重點研究納米材料和體內流體微環境表界面生物大分子形成的納米蛋白冠和環境冠等對腸道微生物屏障、生殖屏障及對子代 生長發育的影響及其分子機制；整合大數據和計算分析方法，系統揭示 2~3 類納米材料跨越復雜生物屏障的基本過程；闡明納米 材料在不同生物屏障微環境的生物轉化途徑與作用機制。

3.2 抗病毒高分子納米藥物

針對重大疾病（如病毒引起的腫瘤、突發傳染病等）靶向治 療藥物的發展需求，研究高分子組裝體和生物納米材料構建納米 藥物的普適性規律，發展基于高分子的高效功能定向新方法，利 用這些納米材料設計并合成新型藥物（例如病毒中和抗體），研究 揭示不同構象、組成、價態的納米藥物與靶標的作用規律和分子 機制，完成 3~5 種體內靶向納米藥物偶聯物和高效抗病毒中和抗體，針對新型病毒引起的傳染病對真病毒半抑制濃度達到 pM 級， 其中至少 1 種獲得臨床批件進入臨床試驗。

3.3 納米體系或工程化細胞對重大疾病基因治療藥物遞送

發展副作用低而遞送、轉染、治療效率高且構效關系明確的 基因藥物遞送材料的制備新技術、新方法。創建仿生納米體系或 工程化細胞的制備技術，制定質控標準，開展其腫瘤治療的臨床 前研究和臨床研究。構建 1~2 種針對腫瘤基因治療具有特異性的、 靶向性的遞送載體和新劑型，完成臨床前研究；構建 1~2 種仿生納米藥物遞送體系或 1~2 種工程化細胞，建立規模化制備工藝和 質控標準，完成臨床前研究，其中 1~2 種體系獲得臨床批件進入 臨床試驗。

3.4 微納米智能系統的組裝原理及其臨床研究

發展微納米智能系統及其組件原位定向合成、可控組裝、體內自主靶向及病灶智能識別技術；研發具有診療一體化功能、高 組織穿透性以及智能型分子組裝體系，應用于體內活檢、腫瘤及 栓塞疾病治療，實現可控定點藥物釋放新功能；發展智能型微納 米機器人的體內過程分析及安全性評價方法。完成 3~4 種生物相 容的新型微納米自組裝體系的構建，揭示對腫瘤微環境的響應機 制。至少有 1 種微納米智能系統完成臨床前藥效評價及其安全性 評價。

3.5 診療、器官修復、體外防護用的納米雜化纖維

基于人體組織與材料相互作用機制，通過有機-無機雜化、高通量成形和仿生命體多場耦合調控等，研究功能一體化仿生設計， 獲得具有增強診療、組織修復、體外防護等功能的纖維聚集體復合材料。研制含水光導診療纖維，模量10-2~10MPa，衰減達 0.1dB·cm-1；研制肌肉/肌腱修復用可編織高強仿生雜化纖維，含 水率 0~70%，強度達 50MPa，楊氏模量達 200MPa，伸長率 10~200%，磨損強度和扭轉強度均不低于 100 萬次；開發類人體 軟-硬組織一體化三維納米支架，孔徑 20~100?m 可調，楊氏模 量 200kPa 至 2GPa 可調，強度>5MPa，實現誘導成骨再生。開展 2~3 個產品的臨床應用。

3.6 用于電磁治療的醫用磁性微納器件及技術

面向若干難治性疾病，研制可體內駐留達完整療程的、由磁 性納米顆粒組裝構建的磁性微納器件；研究磁場遙控微納器件產 生磁極化、磁熱、磁力等電磁效應及與納米尺度相關的新現象、 新機制，以及對體內特定部位神經系統的調控規律；在動物或人 體水平開展神經電磁調控對難治性疾病的治療研究。開發 2~3 種 在體內駐留時間不少于 4 個月的磁性微納器件，及 1 套電磁治療 設備，針對不少于 3 種疾病（骨質疏松、骨關節炎、周圍神經損 傷等）驗證治療有效性和適用性；至少 1 種磁性微納器件電磁治 療新技術獲批臨床試驗，在 2 家以上三甲醫院開展研究。

3.7 納米結構光學功能設計及其高靈敏增強光譜應用

針對光波長與分子之間尺寸失配導致光與物質相互作用微 弱，難以獲取有效信號的問題，設計和構筑新型納米光學材料和 結構實現將光波長壓縮超過 50 倍，實現單分子水平光譜探測。建立具有光學功能的納米材料和結構的理性設計方法；實現 2~3 類具有高局域光場增強的納米結構（光強度增加>105倍），頻率 范圍直接覆蓋分子振動指紋區（675~2000cm-1）；利用增強結構實現高光場局域結構與發光材料之間的強耦合；實現 2~3 種單分子 層有機物和無機半導體的增強光譜測量；實現含 C-O、CH-O 等化學鍵的 2~3 種催化反應中間體的化學成分檢測，以及 2~3 種亞 納米級生物分子檢測。

3.8 大視野納米數字顯微芯片成像技術

針對生物納米尺度大視野高分辨成像的重要需求，研究超大規模納米像素數字顯微芯片的大規模集成工藝制程設計與成像串 擾抑制方法；開展小體積、長時程、多模態大視野納米數字顯微 芯片成像系統設計和研制；開展循環腫瘤細胞/腫瘤干細胞/微小 殘留灶等各種生物組織的探測與識別。單個納米數字顯微芯片的 像素數目≥10 億，顯微芯片量子效率≥30%，響應波段為 400~700nm，實現≥100mm2視野中全部活細胞動態監測，成像分 辨率優于 500nm，幀頻≥1 幀/秒。

3.9 收集水波能的納米發電基礎與應用

水波和微風蘊藏著豐富而清潔的可再生能源。研究納米固體 之間、液體與納米固體之間在分子與原子級的摩擦起電物理機制，開發用于收集水波能量的高性能納米發電機的新材料和新結構， 研制高輸出功率和高效率的水波能摩擦納米發電機網絡；構筑海 洋環境中基于水波能的自驅動應用系統，面向不同的應用需求， 實現在水波激勵下達到 50W/m3以上的輸出功率密度，構建海上可移動自供電系統。

3.10 納米鐵—微生物處理有機廢水的協同機制與智能化關鍵技術

研究納米鐵界面的質子梯度效應、電子—質子協同傳輸與調 控機制，揭示微生物利用納米鐵電子的分子機制；構建納米鐵— 微生物協同技術工藝體系；開展納米鐵—微生物協同處理低可生 化性與低碳氮比有機廢水的技術實際應用驗證。完成納米鐵規模化的生產工藝，研制出廢水可生化性/碳氮比快速測定及智能化調 控設備，驗證納米鐵—微生物協同處理典型有機廢水（處理量大于 50 噸/日）的技術有效性。

4. 青年科學家項目

4.1 手性軟光子材料的納米構筑、多元操控與光學應用

針對納米光子技術主動式、柔性化、功能集成化的需求，研究手性軟光子材料在多元外束縛條件下的納米尺度分子場效應、 特征光電效應及動態調控機制，探索提升納米組裝結構的穩定性、 光譜動態域和工作波段范圍的技術路徑，發展多維度、超寬帶、 高效率、自適應的納米光學新思路、新技術。

4.2 超低功耗場控自旋電子器件

面向未來信息技術對超低功耗邏輯器件的需求，開展基于納 米尺度新材料與高效耦合界面的場效應控制自旋邏輯器件研究。探索自旋—軌道與自旋—電偶耦合的界面特性和基于場效應控制 的自旋態傳遞機理，以及在無外加磁場情況下的多級器件輸入輸 出級聯技術途徑。研制非易失性邏輯器件、布爾邏輯門電路，開 展驗證實驗。

4.3 納米尺度鉿基鐵電材料與器件

面向大數據時代對存儲器高速、高密度和低功耗的需求，開 展新型鉿基鐵電機理、存儲單元與三維集成技術的研究。探索納 米尺度鉿基鐵電材料的極化機制與翻轉動力學過程，研究摻雜濃 度、工藝條件、薄膜厚度對極化的調控規律，構建高速、低功耗 的存儲器件結構，研究鐵電存儲器的三維集成技術。

4.4 高性能金屬空氣電池相關的納米器件

發展高性能金屬空氣電池中正極氧還原/析出過程的關鍵功 能納米材料設計方法，篩選出 5 種以上下一代金屬空氣電池非貴 金屬納米材料并探索宏量制備技術，研究金屬空氣電池關鍵功能 納米材料的結構與氧還原反應路徑的關系，提出可以調控 4 電子 轉移或 2 電子轉移的方法，開展在電池器件應用的驗證研究。

4.5 用于水中抗生素及抗性基因污染治理的納米材料與技術

針對我國水環境抗生素及抗性基因污染治理的重大需求，發展基于納米材料與技術的抗生素及抗性基因廢水深度處理技術與工藝。面向我國產量大及使用量大的幾類典型抗生素的生產企業或使用場所，探索源頭排放控制技術，驗證技術實際應用能力。