厚積薄發「晶」光燦爛｜重點實驗室巡禮

作者 |任芳言

超大口徑LBO晶體，口徑可達10釐米以上。

類萘構型雙環B-Be-O新型大共軛陰離子基團

雷射自準直折射率測量系統

紫外低吸收四硼酸鋁釔（YAB）晶體毛坯與器件

實驗室在國內首先提出KDP晶體的快速生長技術，圖為通過該技術製備出的大尺寸KDP晶體。

螢光透明陶瓷及螢光陶瓷封裝的大功率COB光源。

實驗人員講解設備操作規程。

科研人員討論分析實驗數據。

實驗室成員調試光路系統。

生活在現代社會的人不會對雷射感到陌生，但鮮為大眾知曉的是，隨頻率變換，雷射衍生的應用遍及各行各業，而這變換的關鍵之一就是一種光電材料：非線性光學晶體。

在中國科學院光電材料化學與物理重點實驗室，光電材料研究財富的累積，已經歷了幾代人——誕生於上世紀80年代的硼酸鹽系列非線性光學晶體，打響了「中國牌」晶體的名號；世紀之交誕生的氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF），突破了雷射波長200納米的限制，在這片天地獨領風騷……

接過前人衣缽，成立十餘載，中科院光電材料化學與物理重點實驗室形成了一批又一批中堅力量。他們顛覆、創造，不斷超越。

問「晶」：連接基礎與應用

自雷射問世後，科學家就一直在研究非線性光學晶體。

當雷射光束夠強、光波電場效應足夠大時，光和介質的相互作用會產生非線性效應，而非線性光學晶體則能讓雷射變頻。據此特性研發出的固體雷射器，可用於跟蹤測距、光刻、同位素分離、高分辨成像等多個領域。

而晶體乃至所有光電材料的性能，恰恰取決於其組成和結構。因此，研究光電材料難免會產生追問：材料背後的物質、結構、成分都在起什麼作用？其中最關鍵的是哪方面？

問底材料，深入微觀世界，是材料人為之奮鬥的目標。

早在上世紀60年代，我國結構化學奠基人之一、中國科學院院士盧嘉錫出任中國科學院福建物質結構研究所（以下簡稱物構所）首任所長時，就定下了發展結構化學、晶體材料和催化等一系列學科發展方向。

世紀交替，以基礎研究為重點的結構化學國家重點實驗室和以創新產業化為己任的國家光電子晶體材料工程技術研究中心應運而生。

前有物構所在結構化學領域打下的雄厚基礎，後有處於工程產業化前沿的實戰經驗，2001年，物構所又成立了材料化學與物理研究室。以此為根基，該研究室於2008年被批准成立中科院光電材料化學與物理重點實驗室。

「實驗室本身的定位很清晰：揭示材料內部化學機理，往下遊器件方面拓展，解決國家戰略需求。」物構所副所長、實驗室學術帶頭人林文雄告訴《中國科學報》。

實際上，在前沿基礎研究與實際應用之間找定位，是一個非常現實的問題—— 一項研究成果從實驗室走出再到產業化，完整鏈條的形成絕不僅靠一頭一尾。

為此，實驗室的幾大研究重點都有明確指向：研究材料構效關係，為的是設計新型功能材料；探索生長機理，為的是製備超大尺寸和特定功能微晶材料；研發材料分析新裝備，為的是開拓更廣闊的應用天地。

「實驗室是承上啟下的橋梁，在工程應用和戰略研究中起引導作用。」林文雄表示，材料的發展路徑決不能只為求新求奇，「材料一定是從料成材，從材成器」。

結「晶」：十年一劍，薪火相傳

多年來，中科院光電材料化學與物理重點實驗室成員有個共識：一種材料的研發往往要耐得住寂寞。「做成一件比較像樣的事兒，沒有潛下心來、沒有十年八年，很難做成。」實驗室原主任、物構所黨委書記黃藝東表示。

「BBO（偏硼酸鋇）和LBO（三硼酸鋰）這兩種晶體的發現很能說明問題。」實驗室主任葉寧舉了自己導師、中國科學院院士陳創天的例子。

受盧嘉錫囑託，1962年從北京大學物理系畢業的陳創天在物構所開始學習結構化學知識。

苦心鑽研近十年後，他提出了著名的陰離子基團理論，找到了非線性光學晶體材料宏觀效應與微觀結構間的關聯，並以此為指導，帶領團隊苦幹數年，BBO和LBO晶體終於得以問世。

當時國際上普遍認為用固體雷射器產生波長小於200納米的雷射幾乎不可能，但陳創天等人借著此前打下的基礎，又研製出KBBF晶體，讓雷射最短波長達到184.7納米，在深紫外雷射領域大展身手。

從上世紀60年代開啟理論研究，到1993年KBBF晶體問世，陳創天等人打破了中國人在晶體生長領域仿製、跟跑的局面。

「有了晶體這個方向，才有了後面的實驗室，才有這麼多科學家凝聚在這裡工作。」葉寧坦言，「直到今天，實驗室的發展仍遵循這樣的邏輯，先有目標，做怎樣的材料，摸清這樣的材料需要什麼樣的結構，然後通過大量實驗合成目標結構。」

以KBBF晶體的結構為設計模板，葉寧等人在保持其結構和性能優勢的同時，又合成出新的同族深紫外非線性光學晶體ABBF和γ-BBF，有望克服上一代晶體頑固的層狀習性，其最短相位匹配波長分別為173.9納米和146納米。

中國科學家在深紫外非線性光學晶體方面取得的成果，又一次笑傲全球。

「原理上可行、沒有人做、經過努力有望突破，這是材料學角度的『從0到1』。」在黃藝東看來，身為中科院重點實驗室，更應立足學科發展角度，帶著自己的判斷力開拓進取。

雷射本身具有單色性好、方向性強的特性，在精密測距中已有應用。但雷射功率稍微一高就可能損傷人眼，有沒有晶體材料能讓雷射可用且對人眼安全？帶著這一樸素的目標，黃藝東帶領課題組開始攻關。

他們反覆篩選基質晶體、調節離子濃度，最終研發出1.55微米波段、對人眼安全的雷射晶體。在自動駕駛技術日益發展的當下，這塊潛心研發了十餘年的晶體迎來了春天。

耀「晶」：靈活調整，極致變換

材料學家有句調侃的話：晶體生長的第一定律是沒有定律。玩笑之餘也說明尋找晶體外在效應與內部構造間的關聯有多難。

不過，這句話可用另一個風趣的說法破解：一個「屁股」和兩個「拳頭」。前者即結構化學，後者即晶體材料和催化。盧嘉錫曾不止一次提到這個說法：「只有『屁股』坐穩了，『拳頭』才能打出去。」

先有方向再下手，這一正向循環讓人們對晶體結構、設計和生長有了愈發深刻的理解，陳創天、葉寧等人的一系列成果便是最佳案例。

不過，中科院光電材料化學與物理重點實驗室的研究目標並不拘泥於找到新晶體。「倒推的例子也有。」葉寧表示，「讓現有的晶體發揮出更優異的性能，也需要牢記「拳頭」與「屁股」的關聯，對於晶體在應用過程中出現問題，我們就把它翻過來凝練，找出內在的科學原理，再通過試驗解決。」

以BBO晶體為例，其在數十年的應用中展示出優良性能，但在某些場景中，晶體會發生潮解現象。潮解的本質原因是物質從空氣中吸收或吸附水分，即物質與水發生化學反應，這與晶體結構相關。

2012年，實驗室學術帶頭人、中國科學院院士洪茂椿帶領實驗室成員，在晶體內部進行原子替換和摻雜，製備出幾乎不潮解、倍頻效應和光損傷閾值都大有提高的改性偏硼酸鋇單晶體BBSAG。

兩年後，通過與中科院物理研究所合作，洪茂椿等人用這種新型晶體在195~205納米的深紫外波長內獲得了線寬更小、單頻穩定性更佳的雷射輸出。

讓老牌晶體發揮更強的作用，意味著晶體在各方面的性能指標都要再上臺階。

現如今，對一種晶體的性能作評價更注重綜合表現。

已有半個多世紀歷史的磷酸二氫鉀（KDP）晶體在大口徑、高功率雷射裝置中有著不可替代的作用。國家戰略需求一步步擴大，對KDP的要求也隨之提高——不僅要兼顧晶體的大尺寸和質量，其生長速度也要再快一步。

加入實驗室已有17年的物構所研究員鄭國宗，自進組起，就開始在KDP晶體生長上下功夫。「從一兩釐米做起，一直到43釐米那麼大，這需要一代代科研人員把它做下去。我們的目標不僅是越大越好，還要提高成功率，然後是晶體的性能指標。」鄭國宗說。

從晶體培養槽，再到配套控溫及轉動裝備，鄭國宗等人給出了一套完整的設計方案，解決了大過冷度下KDP晶體生長溶液的穩定性難題。

最終，晶體生長速度從每天1~2毫米提高到10~15毫米，晶塊口徑最大可達54釐米以上。這套方案問世後，很快被同行視為標杆，圈內製備KDP晶體的通用方法就此改寫。

育「晶」：為後人鋪路

在中科院光電材料化學與物理重點實驗室骨幹、物構所副研究員郭旺看來，好的平臺才能提供好的科研條件。他所在的課題組專攻雷射透明陶瓷，是中科院為數不多的研究這塊「硬骨頭」的團隊。

「透明陶瓷是陶瓷領域的皇冠，雷射陶瓷是皇冠上的明珠。一個材料沒有十年磨一劍，肯定是不夠的。」已有13年工作經驗的郭旺，深知穩定支持的可貴。

得益於中科院及重點實驗室平臺的支撐，郭旺和同事於2013年開始研發透明陶瓷在另外一個領域的應用——大功率LED封裝螢光陶瓷材料。他們在材料中摻入幾種稀土作為發光離子，經過高溫高真空燒結出高量子效率、高熱導率螢光陶瓷材料，解決了大功率LED散熱導熱難題，最終實現了千瓦級螢光陶瓷的LED光源封裝。

「我們希望能把陶瓷的功能再擴展一些。」郭旺表示，封裝技術在整個LED產業中處於中遊，近年來他們還在螢光陶瓷的工藝配方、產業轉化上下功夫，突破了許多從實驗室到產業的轉化難題。

談及實驗室的價值觀，黃藝東表示，「實驗室最主要的特色，就是對材料的『窮追不捨』。我們搞材料，不只是製備，還要問結構背後的原因是什麼。

一個新的材料結構做出來後，我們還要再研究，目前具備類似結構的材料有哪些、有可能實現哪些功能。我們凡事都要把宏觀微觀緊密聯繫在一起。」

實驗室除了平臺、基金項目等提供的固定支持，還會向研究所爭取一部分相對靈活的經費。2014年前後，物構所開始布局前瞻跨越項目，每個獨立方向可獲300萬元支持，而且，考評方式不唯論文、不唯影響因子。

好鋼用在刀刃上。林文雄、黃藝東和葉寧等人達成一致：這樣的機會，是用來給年輕人鋪路的。

物構所副研究員、實驗室成員陳晨龍是前瞻跨越項目的獲得者之一。

在別人看來，陳晨龍不善交流，也沒什麼科研管理經驗。採訪時，他本人也承認，自己「既不會講話，也不會找關係」。但就是這樣一個左右不逢源的人，找到了氮化鎵這種重要半導體材料的「獨門生長秘籍」。

除了是LED的關鍵元材料，氮化鎵還可用於高功率射頻器件、雷射雷達。但這種晶體製備往往要以藍寶石、碳化矽為襯底，製作出的成品還會受晶體生長極性方向的限制。

經過多年研究積累，陳晨龍找到了一種與氮化鎵結構匹配度較高的鎵酸鋰晶體，可通過特殊的化學反應轉化為多孔氮化鎵，將之作為襯底，有望製備出尺寸更大的非極性氮化鎵晶體——目前一塊0.5平方釐米的非極性氮化鎵晶體，市場價格可達上千元。

為此，物構所組織了多次專家討論會，還專門成立攻關協調組，解決從設備購買到考評機制等大事小事。「我們的機制是什麼？扶著他走。」林文雄坦言，「不承擔風險就不可能有新的增長點，我們應該有基本判斷和擔當。」

作為所領導，黃藝東深知其中風險。「既然是重點實驗室，做原創性研究責無旁貸。」

對中科院光電材料化學與物理重點實驗室而言，知難而上是歷史使命。

「我們要給後代留一些遺產、一些有戰鬥力的方向。」林文雄表示。

（本報記者甘曉對本文亦有貢獻）

實驗室小故事

生機與活力

作者 | 任芳言

在中科院光電材料化學與物理重點實驗室，實驗室秘書陳白泉用「活力」一詞形容這支潛心晶體材料研究的團隊。

除60名固定人員外，實驗室還有百餘名流動人員和在讀研究生。大家以課題組為單位開展研究，組與組之間平日裡也不乏交流碰撞。

鄭國宗所在的課題組專攻KDP晶體，但他們與實驗室內研究LBO、BBO晶體的同事都有合作。探討的內容多了，幾個研究室的小分隊就直接在會議室碰頭。「課題組的會議室比較寬敞，有問題的話，我們會直接把實驗室裡的龍西法、吳少凡等老師請過來，請他們當一下評審專家，模擬一下評審答辯。」鄭國宗說。

一群材料學家聚到一塊兒，聊起晶體生長布局、爐體結構，話頭一開就停不下來。

晶體生長是一個漫長的過程。物構所園區的大樓裡時常燈火通明。當大家沒日沒夜沉浸在工作中時，葉寧也會勸說大家：不要那麼拼，要注意勞逸結合。

但作為中科院光電材料化學與物理重點實驗室主任，葉寧在為科研人員爭取機會時，從來不遺餘力。陳晨龍關於氮化鎵晶體生長的研究，就是葉寧主動在物構所的戰略研討會上提出的。

在符合實驗室運行規定的前提下，陳晨龍在拿到前瞻跨越項目前，還獲得了來自中科院重點實驗室的經費支持。「只要給我工作的條件，我就去做。」陳晨龍自詡「佛系」「沒什麼高追求」，但他常常要花時間與設備廠商摳細節、做溝通。晶體生長和轉化設備價格昂貴，他想把每筆研究經費都用到實處。

「我喜歡研究多孔氮化鎵晶體，因為有意義，能真正給國家相關領域發展帶來貢獻。」陳晨龍表示。

為了培養像陳晨龍這樣充滿活力的青年人才，實驗室鼓勵年輕人爭取各種培優項目。物構所科技處處長鄭發鯤介紹，針對青年科研人員，實驗室特別設有「春苗計劃」，每年遴選4~5名人才給予資金支持。而衡量標準也是以成果的原創性、影響力為重點。

「最重要的是符合實驗室的學科定位。」葉寧說。

這一思路在實驗室整體考評機制上也有體現，即對基礎研究和應用研究進行區分。如果偏向應用研究，科研人員可以不拘泥於論文發表量，將項目方的用戶評價報告作為評定職稱的依據。

「對人才的要求不能太高，又要他找課題，又要他做應用。不能苛求一個人完美無缺。」林文雄說，「重點實驗室這個體制機制，能包容很多人。」

中國科學院光電材料化學與物理重點實驗室簡介

中國科學院光電材料化學與物理實驗室，依託單位為中國科學院福建物質結構研究所，前身為2001年成立的材料化學與物理研究室，後於2008年獲批，升格為中科院重點實驗室。

實驗室以光電材料為研究重點，以材料微觀、介觀結構為基礎，著重解決材料發展過程中新出現的結構與製備、性能間的關係問題，再進行性能表徵和元器件研製，形成涵蓋技術鏈「上中下遊」的系統研究範式，成為國際光電子領域為數不多、具備完整技術鏈的特色隊伍。

實驗室成立以來，連續3次在中科院組織的5年一度的材料領域重點實驗室評估中排名第一。未來，實驗室將充分發揮學科交叉特色，加強有亮色的前沿基礎研究。

（中國科學院光電材料化學與物理重點實驗室供圖）

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《中國科學報》 （2020-09-10 第4版 聚焦）

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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