從毫米級(jí)向厘米級(jí)的跨越——光電功能晶體材料研發(fā)之路
來源：科技日?qǐng)?bào) 時(shí)間：2026-05-12 17:52
立夏后的烏魯木齊，草木蔥郁。在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“新疆理化所”）晶體材料研究中心，實(shí)驗(yàn)室大門緊閉，晶體正在里面悄然生長(zhǎng)。
??前不久，一種名為氟化硼酸銨（ABF）的晶體登上國際期刊《自然》，讓這個(gè)地處祖國邊疆的研究所吸引了全球目光。ABF晶體首次實(shí)現(xiàn)直接倍頻真空紫外激光158.9納米輸出，創(chuàng)造了該領(lǐng)域世界最短輸出波長(zhǎng)紀(jì)錄。
??近20年來，新疆理化所光電功能晶體材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持面向世界科技前沿和國家重大需求，創(chuàng)制出一大批以ABF晶體為代表的新型晶體。
??“探索新晶體如同攀登無人之峰，只要明確方向、堅(jiān)定信心、努力實(shí)干，終能抵達(dá)頂峰?！毙陆砘L(zhǎng)潘世烈對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說，ABF晶體的創(chuàng)制只是邁向成功的一小步，團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)扎根邊疆，以久久為功的定力潛心科研，薪火相傳、聚力攻關(guān)。
??尋找全新晶體材料
??將時(shí)針撥回到2007年初夏，已在美國西北大學(xué)開展博士后研究多年的潘世烈，收拾行囊回國，在新疆理化所開始“創(chuàng)業(yè)”。他心中有一張清晰的藍(lán)圖——研制新一代深紫外非線性光學(xué)晶體。
??如果將激光器比作“超級(jí)手電筒”，非線性光學(xué)晶體便是筒身里那片“魔法鏡片”，能將普通激光轉(zhuǎn)化為特殊波長(zhǎng)的超強(qiáng)光束，為高端科研裝備、精密激光制造等領(lǐng)域提供新一代核心光源。
??長(zhǎng)期以來，找到具有“大帶隙、強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)、高雙折射、易生長(zhǎng)”等苛刻性能的新晶體，是世界性難題。
??近幾十年來，全球科學(xué)家試了上百種材料，始終找不到兼具多重優(yōu)異性能的材料。
??“大部分晶體材料的探索，都停留在個(gè)別元素的替換上，未能實(shí)現(xiàn)材料本質(zhì)的突破。”潘世烈和團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)為，必須突破原有策略，尋找一種全新材料。
??化學(xué)元素周期表中有上百個(gè)元素，如何找到最適合的那一個(gè)？
??潘世烈將元素周期表張貼在每個(gè)人的工位前，時(shí)不時(shí)來一場(chǎng)集體頭腦風(fēng)暴，篩選每個(gè)潛在的“優(yōu)勢(shì)基因”。
??有一次，潘世烈將目光鎖定在元素周期表最右上角的“氟”元素上。
??盡管這種電負(fù)性最強(qiáng)的元素未被引入晶體領(lǐng)域，但潘世烈發(fā)現(xiàn)，氟原子能在硼酸銨材料中發(fā)揮微妙的平衡作用。
??氟元素的“橫空出世”，讓團(tuán)隊(duì)信心倍增。按照“氟化設(shè)計(jì)及性能調(diào)控”新思路，他們像“搭積木”一樣，精準(zhǔn)調(diào)整原子排列。
??新疆理化所研究員楊志華告訴記者，理念有了，還需大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。早期計(jì)算機(jī)算力不足，計(jì)算一個(gè)化合物的有效性要花半年時(shí)間。
??“心里很著急，但還是得沉下心一點(diǎn)點(diǎn)計(jì)算?！睏钪救A說。后來團(tuán)隊(duì)不斷加強(qiáng)算法，效率大幅提升，時(shí)間縮短到幾小時(shí)甚至幾分鐘。
??經(jīng)過大量的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，氟化硼酸銨晶體的有效性得到驗(yàn)證，有望成為理想的非線性光學(xué)晶體。
??讓晶體“長(zhǎng)出來”
??晶體材料初步鎖定，潘世烈團(tuán)隊(duì)突破了第一道關(guān)卡。接下來，就是要讓晶體“長(zhǎng)出來”。
??2010年，從事無機(jī)化學(xué)研究的張方方加入團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)起晶體制備的重任。
??缺少參考文獻(xiàn)、沒有現(xiàn)成工藝，科研團(tuán)隊(duì)不光要根據(jù)材料特性摸索制備方法，就連反應(yīng)釜都要自己畫圖紙定制。
??張方方告訴記者，與常規(guī)晶體不同，氟化硼酸銨晶體的生長(zhǎng)體系呈現(xiàn)氣—液—固多相、多組分的復(fù)雜狀態(tài)，生長(zhǎng)難度極大。
??研究團(tuán)隊(duì)基于晶體物化特性，開發(fā)并優(yōu)化了氣相沉積法。與溶液法等常規(guī)的晶體生長(zhǎng)方法相比，新方法規(guī)避了高硼含量所帶來的大黏度結(jié)晶困難，無需超高真空環(huán)境與載氣輸送系統(tǒng)，在自生壓力下，即可形成獨(dú)特的固—液—?dú)馊囿w系。
??摸清了材料本身的“秉性”，接下來就是漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)過程。在封閉的反應(yīng)釜中，溫度、壓力等參數(shù)都會(huì)影響結(jié)晶成敗。
??張方方說，每次將原料封入反應(yīng)釜，都像埋下一個(gè)期待。臨開釜的那一刻，心都提到嗓子眼。然而大多數(shù)時(shí)候，迎接他們的都是不成形的晶體。
??“失敗了沒關(guān)系，清洗反應(yīng)釜，調(diào)整參數(shù)，再次實(shí)驗(yàn)。”張方方告訴記者，晶體制備的關(guān)鍵階段有時(shí)恰好在凌晨，熬夜值守便成了常態(tài)。
??近十年的科研攻關(guān)，歷經(jīng)成百上千次的實(shí)驗(yàn)，2016年，潘世烈團(tuán)隊(duì)首次成功合成毫米級(jí)ABF晶體，讓深紫外晶體材料波長(zhǎng)突破至200納米以下。
??“十年磨一晶”，團(tuán)隊(duì)對(duì)晶體的探索并未止步。
??“晶體沒有加工成器件，我們的研究就沒有成功?！迸耸懒壹?lì)大家，再用一個(gè)十年，讓ABF晶體從毫米級(jí)邁向厘米級(jí)。
??走向應(yīng)用場(chǎng)
??從毫米級(jí)到厘米級(jí)，又是一次“從0到1”的科研攻關(guān)。
??“溶液溫度、降溫速度、攪拌方式、種晶大小、溶劑純度等，任何一個(gè)微小的參數(shù)變化，都決定晶體生長(zhǎng)的成敗。”張方方說，有時(shí)候一塊晶體好不容易突破厘米級(jí)，看上去也光潔透明，卻在冷卻過程中突然出現(xiàn)裂紋，整塊報(bào)廢。
??有時(shí)長(zhǎng)出的晶體看似完美，但在光學(xué)測(cè)試中會(huì)暴露肉眼看不到的缺陷。這會(huì)導(dǎo)致折射率不均勻、透過率下降，只能忍痛舍棄。張方方回憶，十多年來，扔掉的“失敗品”足夠裝滿一整柜。
??為盡快突破晶體生長(zhǎng)瓶頸，潘世烈走訪國內(nèi)各大科研院所和企業(yè)，多方吸納急需人才。
??“科研人員幾乎整天都待在實(shí)驗(yàn)室，透過設(shè)備觀察窗口察看晶體生長(zhǎng)變化?！睆埛椒秸f，“有時(shí)候半夜回到家，睡了一會(huì)兒還是不放心，又跑回實(shí)驗(yàn)室?！?/p>
??實(shí)驗(yàn)本上一次次“失敗”的記錄，成了最寶貴的參考書。
??根據(jù)數(shù)十年積累的海量數(shù)據(jù)，科研團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化工藝篩選優(yōu)勢(shì)晶核，克服了晶體層狀生長(zhǎng)習(xí)性。2024年，厘米級(jí)尺寸的ABF單晶終于成功創(chuàng)制，晶體“長(zhǎng)大”難題一舉攻克。
??有了大尺寸晶體，團(tuán)隊(duì)又開始向器件加工發(fā)起攻關(guān)。由于非線性晶體的特殊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有器件不能拿來就用。
??團(tuán)隊(duì)依托系統(tǒng)性試驗(yàn)優(yōu)化，自主研發(fā)出一套完整適配ABF晶體的器件加工工藝，實(shí)現(xiàn)了從單晶材料到實(shí)用化器件的關(guān)鍵跨越。
??不久后，在新疆理化所激光實(shí)驗(yàn)室，ABF晶體器件迎來測(cè)試。隨著特定的激光束入射晶體，新的世界紀(jì)錄誕生了，大家不約而同歡呼起來。
??“成了，新晶體做成了！”扎根邊疆近20年，潘世烈兌現(xiàn)了自己的承諾。
??面向未來，潘世烈充滿信心：“團(tuán)隊(duì)將加快推進(jìn)ABF晶體的工程化制備和激光集成技術(shù)研究，攻關(guān)更短波長(zhǎng)、更大能量、更高功率的激光輸出技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化綜合性能，為高端科研裝備與先進(jìn)制造領(lǐng)域提供關(guān)鍵材料和器件支撐！”（梁樂）
責(zé)任編輯：沈馨蕊
