人工晶体之花绚烂绽放 - 大众网

2011-10-27 15:36:26     作者:未知    来源:未知   【新闻论坛】

2004年,美国的一个激光专业杂志上说:“第四代光存储技术的实现要等中国的晶体。” 这个预言立足于一个现实——在人工晶体研究方面,中国走在世界前列。山东大学晶体所则一直是中国人工晶体研究“军团”的中坚。 美丽晶体种出来 1982年,山东大学晶体所所长蒋民华赴美学术交流。听先期赴美的国内同行讲到,他在研究中使用了美国刚研究出的晶体,性能很好。美国老板说,这种晶体非常昂贵,是“战略物资”,即使摔碎了,也要把碎片搜集起来上交。这个晶
2004年,美国的一个激光专业杂志上说:“第四代光存储技术的实现要等中国的晶体。”  这个预言立足于一个现实——在人工晶体研究方面,中国走在世界前列。山东大学晶体所则一直是中国人工晶体研究“军团”的中坚。  美丽晶体种出来  1982年,山东大学晶体所所长蒋民华赴美学术交流。听先期赴美的国内同行讲到,他在研究中使用了美国刚研究出的晶体,性能很好。美国老板说,这种晶体非常昂贵,是“战略物资”,即使摔碎了,也要把碎片搜集起来上交。这个晶体就是KTP(磷酸氧钛钾)。  KTP晶体是一种新型高效非线性光学材料,具有非常优异的性能,在激光医疗、激光加工、水下通讯、光盘和非线性光学等领域获得了广泛应用。美国政府把KTP晶体作为高度保密的高技术产品,严格限制对社会主义国家出口。  蒋民华决心要攻下这个难关。  当时,在晶体学界蒋民华已经扬名立万。  1956年,山东大学派刚毕业不久的蒋民华到我国晶体研究先驱卢嘉锡教授那里学习。可以说,以卢嘉锡教授为主导的厦门培训班培养了中国晶体研究的“黄埔一期”。从此,蒋民华便与晶体研究结下了不解之缘。  从厦门归来,耳边仿佛还回响着前线枪炮的余音,当时我国海军初建,急需制备声纳的功能晶体材料酒石酸钾钠(KNT)晶体。尽管没资料可查,也无前人经验可借鉴,蒋民华与同事们牛刀小试竟在短期内生长了重达近十公斤的大晶体。接着,他们又开始了另一种压电晶体ADP的生长。经历了无数次讨论、试验和失败,终于迎来了新晶体生长的成功。经水下现场测试,ADP不仅完全适应我国水域,而且各项性能指标多优于KNT。为此,国家经委、计委、科委在1963年联合授予ADP大晶体国家工业新产品二等奖,这是当时山东大学获得的第一个科技奖项。  从美国回来后,蒋民华抽调骨干组成了课题组。美国人用水热法生长KTP,要求达到3000大气压和800℃的温度,相关设备十分昂贵。上世纪80年代初,有钱也没处买设备,何况根本没钱。他们“土法上马”,在晶体所的院子里挖了一个大坑,把装置半埋地下,但一天夜里,装置突然爆炸了,还好旁边刚好没人。这种土装置不可能达到理想的压力水平,用水热法看来行不通。  水热法还有一个缺点,就是晶体生长极慢,半年只能长出几个毫米。蒋民华与晶体生长能手刘耀岗教授商量,决定采用熔盐法。从理论上来讲,任何晶体都可以用这种方法生长,关键在于找到一种合适的助熔剂,蒋民华确定以此为主攻方向。方向对了头,接下来的工作很快见了成效,1984年下半年晶体长大了,这是中国人在国际上壅找到了生长KTP的新方法。在1985年组织的鉴定会上,专家们一致认为这是国际领先的成果。要知道,当时一块3毫米见方的KTP样品就可以换半公斤白金。  蒋民华决定规模生产KTP。他们借款100万元,当年就搞起了小规模生产。蒋民华亲自联系外商,亲自到广交会谈判。熔盐法使KTP成本大大降低,第一批订货就达30多万美元。蒋民华团队开创了中国高技术产品向西方工业国家出口的先河。《人民日报》对此报道:“记者特意到展台前看了蒋教授的KTP晶体——一片极小的晶体,大不过指甲盖,薄不过一张纸,出口卖一万美金,同等体积的黄金也值不了这么许多。”  1987年,美国卖到我国一台激光器,附加条件是其中的KTP不能卖给中国。当时正好在美国的中国晶体专家陈创天笑着对美国人说:“现在中国长的KTP比你们的好多了!”美国人只好笑说:“这是美国国务院的官僚主义!”  如今,山东大学晶体所的这项技术已在山东各地开花结果,历经20余年而不衰。  中国晶体的成功秘诀  历史分期上那些耳熟能详的名词,如“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等,都是按对材料的使用命名的,可见人类发展的历史就是一部人类对材料的使用发展史。如今,人工晶体在方方面面影响了当代生活,从石英手表、激光应用、照明到信息存储、集成电路等都用到人工晶体。  非线性光学晶体的一个重要性能是改变激光的波长。物理学规律告诉我们,波长每缩短一倍,存储的密度就会增加4倍。随着集成电路器件密度增加,器件的线度越来越小,随之制作集成电路的光刻技术要求光的波长越来越短。利用非线性光学晶体的倍频效应是产生短波长的重要方法。  现在用的最多的非线性光学晶体是BBO、LBO和KTP。前两种是中国发明的“中国晶”,第三种是美国杜邦公司发明的,但是在山东大学“长”出来的。这里面都有中国人原创性的工作。  其实,早在1986年,美国国家基金会、能源部等联合召开的非线性光学晶体研讨会,主题为“为什么十多年来优秀的非线性光学晶体都是中国人和欧洲人发明的”。他们得出结论,一是中国人在此领域有长达数十年的坚持,另一个原因就是团结协作。  “中国晶”又一次成功扩容时,中国人团结协作的优势再次发挥了莫大的威力。KBBF族晶体是我国继发现BBO、LBO晶体后的第3个中国牌非线性光学晶体,也是中国首个对西方发达国家实行技术禁运的产品。1990年,陈创天团队依据他们独创的理论,发现了KBBF。但是KBBF具有类似云母的层状特性,成核很难,长大就更难。陈创天请蒋民华团队介入KBBF的生长,蒋民华团队多次实验之后终于长成了较大尺寸透明的单晶。中科院物理所许祖彦团队对单晶作了评估和测试。测试结果又反馈到生长研究组,反复改进工艺后才得到了比较理想的晶体。这一协作链条中,缺一不可。国际上对KBBF很看好,认为它是第四代光存储优选材料,也有可能成为新一代光刻系统中准直部分的优选光源。   KBBF很可能就是第四代光储技术等待着的那个“中国晶”。  晶体也是一种文化  科研的最终目的是对人类生活有所助益,因此,为使成果尽快转化,产学研结合是国际上公认的模式。而蒋民华在教授言商时代就开始考虑产学研如何结合的问题。  科学家,特别是作为领军人物的科学家,不仅要能作出独创性的工作,更重要的是能够站在更高的立足点上,对学科发展作出正确预判。作为我国863计划新材料领域第三任首席科学家,从上世纪八十年代开始,蒋民华对晶体材料研究方向、产业发展不断作出富有战略性的前瞻。  1983年他在晶体材料国家重点实验室的研究方向上加上了“低维材料的制备及研究”这一和半导体密切相关的项目。在此导向下,他们承担的国家产业化前期关键技术开发重大项目“半导体发光器件外延工艺和管芯技术”于2002年4月通过国家验收。我国半导体发光器件终于有了“中国芯”。  2010年5月,蒋民华院士在手术后3个多月用颤抖的手写下了他对山大晶体事业发展的规划:“朝向一个长远的大目标,使山东大学的晶体研究成为中国特色,世界一流;建设两个国家级大型平台:晶体材料国家实验室、全固态激光国家工程实验室;夯实三个重点学科:材料科学与工程、凝聚态物理、光学工程。”  可以告慰蒋民华院士的是,晶体所正在努力实现着他的规划:许东等开发的氧化锆纤维已实现产业化发展;陶绪堂等在自主研制的晶体生长设备上,制备了大尺寸激光晶体钆镓石榴石和新的红外非线性及压电晶体,相关成果今年亮相于“十一五”国家重大成就展;徐现刚、胡小波等在以碳化硅为代表的半导体单晶生长研究方面已在国内乃至国际有了较大影响;蒋民华的同辈朋友王克明院士、梅良模教授老当益壮,正带领着团队在离子注入光波导和薄膜材料领域精耕细作……  山东大学晶体所以优秀成果证明,他们在产学研结合上找到了完美的“联姻”方式。  蒋民华院士生前深情地总结:“晶体不仅是一种科学,还是一种文化。我们做人,要像晶体一样,坦白、光明磊落、表里如一,德才兼备、全面发展,培育人要像培育晶体一样,出成果出人才相辅相成。晶体的排序是有序稳定的,它是个和谐的群体。所以我也跟我的创新团队成员说,你们要成为像晶体一样的团结和谐的群体。”
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