从人工晶体研究发展历程浅谈基础理论研究的引领作用.pdf

人工晶体是信息社会中关系国民经济和国家安全的战略性关键材料。我国人工晶体研究总体处于国际先进水平,部分晶体居国际领先地位,特别是系列“中国牌”晶体的发明和发现引领了人工晶体发展方向,满足了国家重大需求。本文作为山东大学“主题教育”的研习成果,立足于晶体材料国家重点实验室 60 余年的发展历史,梳理了我国人工晶体的发展历程以及实验室近年来的部分先进成果,“管中窥豹”,浅谈了基础理论研究对学科的引领和支撑作用,并在此基础上提出了相关的思考和建议。希望能给我国人工晶体乃至自然学科的发展策略和方向提供一点有益的借鉴。关键词:人工晶体;基础理论;现代晶体学;发展历程;中国牌晶体基础研究是指为了获得关于现象和可观察事实的基本原理的新知识而进行的实验性或理论性研究,用来反映知识的原始创新能力1。2023 年 2 月 21 日,习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调,加强基础研究,是实现高水平科技自立自强的迫切要求,是建设世界科技强国的必由之路。这是对科学技术发展规律的高度概括,指明了新的历史条件下我国科学研究工作的根本方向。基础理论研究,是指为描述客观事物的本质、运动规律的理论而进行的研究,是以寻求新发现、新学说,包括基本概念、范畴、判断与推理等为目的的探索过程。当前,国家综合实力的角力已经演变成高科技领域的竞争,中美贸易战愈演愈烈,美国在芯片、集成电路和通信等各个应用领域对中国全面封锁。在国家高度重视和全面支持下,我国在高科技各个领域均取得长足进步,特别是近年来先进材料的创新突破有力支撑了我国载人航天、海洋工程、新能源汽车和高铁等战略性和有关国计民生的高新产业的快速发展,支撑了“中国天眼”“墨子号”“人造太阳”等在国际上领先的重大科技基础设施建设,推动了我国科技实力从量变到质变的飞跃。应用领域从点的突破迈向系统能力的提升,对基础理论研究提出了更高要求。现阶段,我国基础研究的布局已基本完成,展现出了良好发展态势和发展潜力,铁基高温超导、反常量子霍尔效应和量子通信等一批高水平的重大原创成果引领我国的凝聚态物理、纳米科技和新概念晶体等一批重要前沿方向进入世界第一方阵,一些重大难题得以解决,而一批新的、更具有挑战性的问题被不断提出。近期的自然指数年度榜单显示,我国在自然科学领域已经超越美国位居榜首2,在 Cell、Nature、Science 等顶刊发表论文明显增加,但通过统计比较可以看出,我国的顶刊论文多为追随型,“石墨烯”“钙钛矿”和“冷冻电镜”等热门领域更是在高校扎堆出现。人工晶体是我国为数不多的被公认为处于国际先进行列的领域,特别是非线性光学晶体研究处于国际领先地位3,强力支撑着我国光电高新产业、新概念装备及重大装置建设。总体来看,我国的人工晶体研究起始于 20 世纪 50 年代,是我国长期重视的研究方向。在一代又一代科学家的努力下,形成了“阴离子基团理论”“闵氏亚台阶理论”和“亚稳相晶体生长理论”4-9等晶体设计和生长基本理论,引领了系列反“卡脖子”的“中国牌”晶体材料和器件的出现和发展,推动了下游应用领域和方向的进步,实现了从“跟跑”“并跑”到部分领域“领跑”的角色转换。因此,充分认识和厘清人工晶体发展的过程,并以此为范式,深入探讨基础理论研究对材料及相关学科方向的引领作用,对我国高科技发展和科技自立自强有重要作用。本文回顾了人类对晶体的认识和应用的过程,立足于晶体材料国家重点实验室的发展历程,“管中窥豹”,探讨了基 第 8 期曲 刚等:从人工晶体研究发展历程浅谈基础理论研究的引领作用1549础理论研究对晶体材料及器件发展的支撑和引领作用,初步提出了基础理论研究的发展方向,希望能给其他相关领域起到一定的启示作用。一、人类对晶体材料认识历程的简单回顾材料是人类文明的物质基础,人类社会的发展离不开新材料的开发与利用。晶体材料早在石器时代便被人们发现,并开始利用天然晶体制作饰物和工具。纵观古今,人类对晶体材料的认识和应用依次经历了对晶体外观认知的感性阶段、对晶体内部结构探索的经典晶体学阶段和基于晶体结构理论研究的现代晶体学三大阶段。1.对晶体外观认知的感性阶段我国是世界上最早开始人工晶体材料生长与应用的国家。据考证,从三皇五帝时期开始,炎帝部落的夙(宿)沙氏便开始煮海为盐,开启了人类历史上最早的人工晶体生长10。商周时期,我国便成功烧制了最早的瓷器 青瓷,使我国瓷器引领世界,甚至成为中国的代名词“China”11。从战国时期开始,我国古人发明了基于升华法生长硫化汞晶体的“炼丹术”12。不仅如此,古人对晶体宏观形态及人工晶体的生长过程也进行了详细的描述与记载。东汉许慎在说文解字中称:“晶,精光也。从三日。”用以形容晶体晶莹光亮的外观。宋代程大昌所著的演繁露对盐的结晶过程作了精练的描述:“盐已呈卤水者,暴烈日中数日,即成方印,洁白可爱,初小渐大,或数十印累累相连”。宋代杜绾在云林石谱对石英的描述“映日射之,有五色圆光”,这里已经观察到了对日光的分光作用,比牛顿发现分光现象早 550 年。明代宋应星的天工开物记载了“海、池、井、土、崖、沙石”六种不同的制盐方法,以及炼丹晶体生长的过程,如“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”。虽然我国是世界上最早开始开展和利用人工晶体材料的国家,但遗憾的是,古人在漫长的认识和利用晶体材料的过程中,并没有对晶体材料相关数据进行精确测量和深入研究,感性认识和经验技术也没有被进一步总结探索,未上升到规律认识的理论高度13,因此难以形成系统的理论体系,进一步指导晶体材料的研究和应用。我国许多自然科学发展的状况很大程度上与此类似。2.对晶体内部结构探索的经典晶体学阶段在人们的印象中,水晶是晶体的代表,有棱有角,在阳光下晶莹透亮。还有莹石、冰洲石等天然晶体也是这样。因此,往往有人会问,为什么水晶(晶体)会发育成有棱有角的规则几何多面体形态?直到 1669 年,丹麦地理学家 Steno 通过长期观察石英、赤铁矿等矿物晶体的几何外形,发现同种矿物晶体的对应晶面夹角始终保持恒定,从而提出了“面角守恒定律”,开启了人类对晶体形态科学规律研究的新篇章。1784 年,法国矿物学家 Hauy 提出了晶体结构的新见解,即晶体由无数结构单元通过特定排布规律堆砌而成,并对晶面在三维空间中分布规律对称性提出了“整数定律”。1809 年,德国矿物学家 Weiss 提出了“晶体的对称定律”。其后几十年间,德国矿物学家 Hessel、俄国物理学家 Gadolin、法国物理学家 Bravais 用数学方法推导出晶体形态的 7 大晶系、32 种点群、14 种可能的晶体结构。随后,俄国 Fedorov 和德国 Schnflies 建立 230 种空间群14-17。在 X 射线出现之前,尽管人们无法精确测量晶体内部的结构,但通过对晶体几何外形的观测,并结合严谨的数学推导加以总结和归纳,从而提出了关于晶体内部结构及其对称规律的相关假设、模型和规律,逐步逼近晶体材料内部结构的内涵和本质,从而指导人们对晶体材料的认识和利用。上述发现奠定了经典晶体学理论的基础,人类对晶体的研究从晶体形态进入到晶体的内部结构,这是在人类没有能力确认晶体结构的条件下,从形态学和数学的角度对晶体结构规律的认识。这些数学模型在后来 X 射线发现和使用后全部被证实。3.基于晶体结构理论研究的现代晶体学1895 年,德国物理学家 Rontgen 发现了 X 射线,为晶体结构的实验测定提供了有力工具。1909 年,德国物理学家 Laue 首次利用 X 射线在晶体中的衍射现象验证了晶体结构的重复周期性和对称性,从此人们对晶体结构的研究正式从理论推导阶段进入了实际测量阶段。此后,英国科学家 Bragg 父子通过 X 射线测定了NaCl 晶体的结构,并推导出了著名的布拉格方程,成为人类第一次从实验上确定的晶体结构,从而开辟了晶体结构研究的新领域。之后,人们使用 X 射线衍射测定和分析晶体结构,从矿物到生物蛋白,包括病毒微生1550评述广角人 工 晶 体 学 报 第 52 卷物,越来越多的分子晶体结构被测定出来。1932 年,德国科学家 Ruska 等试制出第一台电子显微镜,之后几十年,科学家通过对电子显微技术的不断改进,可利用电子显微镜直接观察到晶体内部结构的原子排布,使人们对晶体结构的研究进入了新的阶段。随着晶体结构的精确测定,人们对晶体材料的认识日益加深,从而使基于晶体材料的相关器件及应用进入飞速发展的阶段,越来越多基于晶体材料的新技术和新器件被发明和发现,晶体材料及器件已逐渐成为现代科技众多领域不可或缺的重要组成部分。第一次世界大战期间,法国科学家 Langevin 基于石英晶体的压电效应,成功研制了声呐探测系统,并装配海军舰艇,从而实现了压电晶体最早的实际应用18。1947 年,美国贝尔实验室的 Bardeen、Shockley 和 Brattain 发明锗晶体管,从而掀起了电子工业革命的浪潮,并催生了后来的半导体集成电路,使人类正式进入电子信息时代,该发明被誉为“20 世纪最伟大的发明”19。1960 年,梅曼利用红宝石单晶成功实现了激光输出,随后 1961 年,Franken 发现非线性光学效应,从而催生了基于激光在信息、通信、生命医疗、机械加工、军事、能源等众多新的应用领域,成为“20 世纪四大发明之一”20-21。X 射线的发现与利用以及电子显微技术的发展,开启了现代晶体学发展的新篇章。人类从最初对晶体材料的感性认识和基于数学模型推导的理论假说阶段,进入到通过实验精确测定晶体内部结构、对称性、规律,并跨越式利用的崭新时代。而随着现代晶体学的发展,人们对晶体化学、晶体物理等基础理论研究逐步深入,从而催生了激光、晶体管、集成电路等改变人类科技发展历史的重大应用。二、我国人工晶体技术的发展历程及现状中国现代功能晶体的生长和研究,特别是光电功能晶体的研究,始于 20 世纪 50 年代。卢嘉锡先生在厦门大学(后来建立了中国科学院福建物质结构研究所)开始了晶体结构和晶体生长研究,从结构化学出发,阐明晶体结构与性能关系;在南京大学,从金属物理到晶体物理,阐明晶体生长的物理过程;山东大学则致力于晶体生长,探索晶体生长的相变基础,开创了我国功能晶体基础研究的基本局面。为满足当时我国的国防需求,以实际应用为导向,我国科研人员紧跟国际前沿,聚焦功能晶体材料的生长方法优化和创新,探索并发展了水溶液法、助熔剂法和熔体法等晶体生长方法,生长了酒石酸钾钠(KNT)、磷酸二氢铵(ADP)、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、铌酸锂(LN)、碘酸锂(LI)、水晶(SiO2)、氯化钠(NaCl)和云母等功能晶体,解决了我国国防和军工急需的关键晶体材料。自 20 世纪 70 年代末,我国逐渐认识到基础研究对晶体材料及器件应用发展的重要性,人工晶体领域步入了一个快速发展新时期,逐渐形成了从基础理论创新到重大技术应用的中国特色光电功能晶体的发展道路。蒋民华院士提出了“亚稳相晶体生长理论”,指导了大尺寸、高质量 KDP、DKDP 等系列晶体的生长技术和工艺研究,突破了长期以来高质量亚稳相晶体难以获得的瓶颈,保障了我国新时代“两弹一星”工程关键晶体材料的自主可控;陈创天院士提出了非线性光学晶体的“阴离子基团理论”,发明了偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)和氟硼铍酸钾(KBBF)等一系列“中国牌”晶体,为非线性光学效应的理解和新型非线性光学晶体的设计奠定了理论基础,随着系列“中国牌”晶体的产业化,我国非线性光学晶体的研究跃居国际领先地位;闵乃本院士发展并验证了准位相匹配理论,从晶体掺杂引进铌酸锂的准周期畴结构到用周期性极化技术、光刻等精准制备周期性畴结构,为激光波长拓展提供了重要的理论和实验支撑,并将超晶格的概念用于声学,独创了声学超晶格概念和材料,将光学超晶格和声学超晶格总结为介电体超晶格,从而在国际上开拓了一个新的研究领域。正是由于我国在人工晶体材料领域基础理论研究的突破,奠定了我国光电功能晶体在国际上的领先地位。近年来,晶体材料国家重点实验室在秉承老一辈艰苦奋斗、勇于创新的科学家精神基础上,将科技前沿同国家重大战略需求和经济社会发展目标相结合,凝练基础研究关键科学技术问题,以基础理论研究为引领,开展了系列工作。提出了“多声子耦合下的激光产生”及“APP 相位匹配”22等基础理论,突破了激光产生波长受材料本征荧光光谱和相位匹配限制的传统认识,所产生的黄光、青光等部分结果实现产业化,为我国医疗等领域关键光源的研究和应用提供了新方案;基于发展的晶体临界核自由能控制理论,突破 SiC 单晶大面积籽晶成核控制技术瓶颈,并自主研制了 6 8 英寸晶体生长装置,实现 6 8 英寸 4H-SiC 高质量单晶的自主可控,打破了国外对宽禁带半导体芯片材料的封锁,满足我国国防高端雷达、5G 通信器件等关键领域 第 8 期曲 刚等:从人工晶体研究发展历程浅谈基础理论研究的引领作用1551的重大需求;面向未来“量子通信”“光电计算”等前瞻性应用,突破铌酸锂晶体螺旋生长和非等价取代等关键科学问题,实现 8 英寸近化学计量比高品质铌酸锂单晶生长及产业化,并攻克离子束注入缺陷消除、大面积异质晶体键合等关键技术,实现了 100 nm 超薄铌酸锂单晶的制备,推动了我国光电器件集成化和芯片化发展,填补了国际市场空白;提出了“纳米晶基元生长理论”,解决了氧化锆纤维高温收缩、开裂、蠕变等制约其性能的关键问题,实现了高强度、高取向氧化锆晶体纤维的批量制备,确保我国高超音速飞行器和高端高温装备领域的性能优势;提出了“晶面间电荷转移”“内建电场构建”“表面等离子体光催化”等系列拓展光吸收范围和促进光生载流子分离的光催化材料设计新理念与调控新策略,发展了单颗粒荧光光谱等技术,揭示光催化反应过程等机制,所设计的 Ag 基/Bi 基表面等离子体、极性、红外等光催化材料成为该领域的研究热点,并在国内外产生重要影响。在功能晶体领域的成果实践,又一次证明了基础理论研究对推动技术进步、占据国际前沿和技术制高点的重要作用。为我国晶体材料领域实现快速发展乃至弯道超车提供了从基础到应用一体化发展的成功范式。三、加强基础理论研究提升我国科技实力人类对物质的认识总是从感性到理性、从宏观到微观、从表象到本质逐渐深入的过程。近现代,人们对晶体结构、结晶化学和晶体物理等基础理论研究的不断发展,支撑了晶体管、集成电路、激光和量子通信等系列划时代的重大发现,推动了光学、信息、微电子和生物医学等诸多领域的重大变革。回顾人工晶体研究和发展历史,让我们深刻地认识到,基础理论研究是众多关键核心技术和重大应用的源头,是人类科技发展和进步的唯一源泉。然而,基础理论研究往往具有抽象枯燥、周期长和现时回报率低等特点。我国从古传承至今的实用主义思想,在某种程度上制约了基础理论研究文化的形成,导致我国在现代科学的各个领域缺乏基础理论研究的支撑,从而制约着相关领域关键核心技术的发展。目前,在许多领域普遍存在关键材料和关键技术的“卡脖子”现象。当前,我国正处于中国特色的社会主义新时代、中华民族复兴的伟大历史时期。我们站起来、富起来了,已经基本实现了创新型科研的物质基础。从世界范围看,第五次科技革命已经到来,信息和人工智能深刻地变革着人们的生产和生活方式,全球新材料技术与产业发展迅猛,新材料和新物质结构不断涌现,材料科学和材料产业与现代科学技术的融合,带来了巨大的挑战和机遇。我们也正面临科学研究的历史转折点,一方面很多领域已经开始“并跑”甚至“领跑”,另一方面,随着西方限制政策的不断泛化和深化,“跟跑”的外部环境也正在失去,跟踪模仿已经不是主要策略取向。如何实现材料领域跨越式发展?更新观念,坚定自信,加强基础理论研究,走自立自强的科研之路是实现科技强国的必由之路。目前,我国基础研究领域发展存在不平衡性,要锻长板、补短板相结合,明确未来发展的重点领域与方向,以点带面形成整体突破。千里之行始于足下,从观念的转变到体制机制的创新是一个系统工程。从基础研究到产业化是个连续过程,必须从体制机制上建立起科学家到金融家到企业家有机链条;基础研究需要有稳定连续的战略方向,从需求导出问题,再到突破科学理论,是需要耐心和恒心的艰苦过程;人才作为基础研究的基础,战略科学家的培育,需要高瞻远瞩的评价和支撑体系。更新观念,厚植沃土,夯实基础,相信必然可以产出若干对世界科技发展和人类文明进步有重要影响的原创性科学成果,形成能写入教科书的基础理论和方法,解决一批面向国家战略需求的前瞻性重大科学问题,解决一大批产业发展的底层技术科学问题,形成若干有代表性的学派,涌现一批国际顶尖水平的科学大师。致谢:作为山东大学“主题教育”的研习成果之一,本文得到了南京大学祝世宁院士、天津理工大学吴以成院士和山东大学王继扬教授的启发,在此一并感谢。参考文献1 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