从毫米级向厘米级的跨越——光电功能晶体材料研发之路

  立夏后的乌鲁木齐，草木葱郁。在中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称“新疆理化所”）晶体材料研究中心，实验室大门紧闭，晶体正在里面悄然生长。

  前不久，一种名为氟化硼酸铵（ABF）的晶体登上国际期刊《自然》，让这个地处祖国边疆的研究所吸引了全球目光。ABF晶体首次实现直接倍频真空紫外激光158.9纳米输出，创造了该领域世界最短输出波长纪录。

  近20年来，新疆理化所光电功能晶体材料创新团队始终坚持面向世界科技前沿和国家重大需求，创制出一大批以ABF晶体为代表的新型晶体。

  “探索新晶体如同攀登无人之峰，只要明确方向、坚定信心、努力实干，终能抵达顶峰。”新疆理化所所长潘世烈对科技日报记者说，ABF晶体的创制只是迈向成功的一小步，团队还将继续扎根边疆，以久久为功的定力潜心科研，薪火相传、聚力攻关。

  寻找全新晶体材料

  将时针拨回到2007年初夏，已在美国西北大学开展博士后研究多年的潘世烈，收拾行囊回国，在新疆理化所开始“创业”。他心中有一张清晰的蓝图——研制新一代深紫外非线性光学晶体。

  如果将激光器比作“超级手电筒”，非线性光学晶体便是筒身里那片“魔法镜片”，能将普通激光转化为特殊波长的超强光束，为高端科研装备、精密激光制造等领域提供新一代核心光源。

  长期以来，找到具有“大带隙、强非线性光学效应、高双折射、易生长”等苛刻性能的新晶体，是世界性难题。

  近几十年来，全球科学家试了上百种材料，始终找不到兼具多重优异性能的材料。

  “大部分晶体材料的探索，都停留在个别元素的替换上，未能实现材料本质的突破。”潘世烈和团队成员认为，必须突破原有策略，寻找一种全新材料。

  化学元素周期表中有上百个元素，如何找到最适合的那一个？

  潘世烈将元素周期表张贴在每个人的工位前，时不时来一场集体头脑风暴，筛选每个潜在的“优势基因”。

  有一次，潘世烈将目光锁定在元素周期表最右上角的“氟”元素上。

  尽管这种电负性最强的元素未被引入晶体领域，但潘世烈发现，氟原子能在硼酸铵材料中发挥微妙的平衡作用。

  氟元素的“横空出世”，让团队信心倍增。按照“氟化设计及性能调控”新思路，他们像“搭积木”一样，精准调整原子排列。

  新疆理化所研究员杨志华告诉记者，理念有了，还需大量实验验证。早期计算机算力不足，计算一个化合物的有效性要花半年时间。

  “心里很着急，但还是得沉下心一点点计算。”杨志华说。后来团队不断加强算法，效率大幅提升，时间缩短到几小时甚至几分钟。

  经过大量的计算机模拟实验，氟化硼酸铵晶体的有效性得到验证，有望成为理想的非线性光学晶体。

  让晶体“长出来”

  晶体材料初步锁定，潘世烈团队突破了第一道关卡。接下来，就是要让晶体“长出来”。

  2010年，从事无机化学研究的张方方加入团队，承担起晶体制备的重任。

  缺少参考文献、没有现成工艺，科研团队不光要根据材料特性摸索制备方法，就连反应釜都要自己画图纸定制。

  张方方告诉记者，与常规晶体不同，氟化硼酸铵晶体的生长体系呈现气—液—固多相、多组分的复杂状态，生长难度极大。

  研究团队基于晶体物化特性，开发并优化了气相沉积法。与溶液法等常规的晶体生长方法相比，新方法规避了高硼含量所带来的大黏度结晶困难，无需超高真空环境与载气输送系统，在自生压力下，即可形成独特的固—液—气三相体系。

  摸清了材料本身的“秉性”，接下来就是漫长的实验过程。在封闭的反应釜中，温度、压力等参数都会影响结晶成败。

  张方方说，每次将原料封入反应釜，都像埋下一个期待。临开釜的那一刻，心都提到嗓子眼。然而大多数时候，迎接他们的都是不成形的晶体。

  “失败了没关系，清洗反应釜，调整参数，再次实验。”张方方告诉记者，晶体制备的关键阶段有时恰好在凌晨，熬夜值守便成了常态。

  近十年的科研攻关，历经成百上千次的实验，2016年，潘世烈团队首次成功合成毫米级ABF晶体，让深紫外晶体材料波长突破至200纳米以下。

  “十年磨一晶”，团队对晶体的探索并未止步。

  “晶体没有加工成器件，我们的研究就没有成功。”潘世烈激励大家，再用一个十年，让ABF晶体从毫米级迈向厘米级。

  走向应用场

  从毫米级到厘米级，又是一次“从0到1”的科研攻关。

  “溶液温度、降温速度、搅拌方式、种晶大小、溶剂纯度等，任何一个微小的参数变化，都决定晶体生长的成败。”张方方说，有时候一块晶体好不容易突破厘米级，看上去也光洁透明，却在冷却过程中突然出现裂纹，整块报废。

  有时长出的晶体看似完美，但在光学测试中会暴露肉眼看不到的缺陷。这会导致折射率不均匀、透过率下降，只能忍痛舍弃。张方方回忆，十多年来，扔掉的“失败品”足够装满一整柜。

  为尽快突破晶体生长瓶颈，潘世烈走访国内各大科研院所和企业，多方吸纳急需人才。

  “科研人员几乎整天都待在实验室，透过设备观察窗口察看晶体生长变化。”张方方说，“有时候半夜回到家，睡了一会儿还是不放心，又跑回实验室。”

  实验本上一次次“失败”的记录，成了最宝贵的参考书。

  根据数十年积累的海量数据，科研团队不断优化工艺筛选优势晶核，克服了晶体层状生长习性。2024年，厘米级尺寸的ABF单晶终于成功创制，晶体“长大”难题一举攻克。

  有了大尺寸晶体，团队又开始向器件加工发起攻关。由于非线性晶体的特殊结构，现有器件不能拿来就用。

  团队依托系统性试验优化，自主研发出一套完整适配ABF晶体的器件加工工艺，实现了从单晶材料到实用化器件的关键跨越。

  不久后，在新疆理化所激光实验室，ABF晶体器件迎来测试。随着特定的激光束入射晶体，新的世界纪录诞生了，大家不约而同欢呼起来。

  “成了，新晶体做成了！”扎根边疆近20年，潘世烈兑现了自己的承诺。

  面向未来，潘世烈充满信心：“团队将加快推进ABF晶体的工程化制备和激光集成技术研究，攻关更短波长、更大能量、更高功率的激光输出技术，持续优化综合性能，为高端科研装备与先进制造领域提供关键材料和器件支撑！”（记者 梁乐）