与天然或人工晶体结构类似, 微结构材料是采用功能基元(即人工微结构,也可称为“人工原子”)加空间序构的方式构筑的新材料体系, 它可以实现均匀材料所不具有的超常物性。从半导体超晶格开始, 人工微结构经历了光学超晶格、光(声)子晶体、超构材料等的发展, 性能调控范围也由原来的电性能扩展到光、声、热、磁、力等。近年来有关铌酸锂晶体及其人工微结构研究举世瞩目, 以南京大学为代表的中国科研团队从铌酸锂晶体的畴结构调控开始, 在该领域做出许多原创性工作, 研究水平居国际前列。展望未来, 发展铌酸锂集成光子学还面临三方面的挑战, 包括LNOI器件的刻蚀技术、铌酸锂晶圆缺陷和大尺寸铌酸锂薄膜的制备。

有机-无机复合材料因其涉及范围更广, 材料设计的可选择性大, 同时可以兼具无机和有机材料的优点, 近年来受到国内外研究人员的高度关注。此次访谈中, 陶绪堂教授首先回顾了山东大学晶体材料研究所和晶体材料国家重点实验室在蒋民华院士带领下, 开展有机-无机复合非线性光学晶体材料(LAP)研究, 并获得国家发明一等奖的历程, 介绍了课题组目前在有机-无机复合晶体材料方面的研究进展, 结合自身科研历程, 重点分析了目前有机-无机复合材料发展的趋势和存在的主要问题, 展望了有机-无机复合晶体薄膜在能源领域的应用潜力。最后指出要想从诸多有机-无机复合晶体中产生新的“中国牌”晶体, 需要大家共同努力的方向。

介万奇教授是我国人工晶体领域著名专家, 在晶体生长与凝固技术方面取得了诸多令人瞩目的成就, 尤其在室温核辐射探测用CdZnTe晶体的生长、器件制备及其产业化方面成绩显著。本次访谈中, 介万奇教授从学科发展角度和国家实际需求出发, 简要回顾了自身如何与功能晶体结缘, 介绍了近些年带领团队在Ⅱ-Ⅵ族半导体晶体生长理论、工艺技术及应用等方面取得的进展。着重阐述了室温核辐射探测器用碲锌镉(CdZnTe)晶体的重要价值, 以及半导体晶体在辐射探测领域的应用前景与挑战, 并结合自身实践进一步分享了对做科研和做产业、基础理论和工程应用之间不同的理解与认识。针对我国晶体材料未来的发展, 建议科研人员可多从物质新性能或新机理角度开展研究, 这将对探索新材料有重要参考。

光学超晶格是一种基于准相位匹配技术的非线性光学材料。通过铁电畴工程研制出不同微结构的光学超晶格, 可以实现高效灵活的非线性频率转换, 并对光场进行多维调控。光学超晶格的基质材料, 经历了从体块到薄膜的发展, 伴随着两种材料体系超晶格制备技术的突破, 催生了激光变频技术、非线性光场调控和多功能集成光量子芯片等重要应用。

大约十年前, 人类在高压原位研究中首次发现了一种由无序原子团簇按周期性排列而形成的特殊晶体, 被称为“非晶”晶体。该发现改写了人类对晶体中要求原子结构长程和短程皆有序的定义, 引起了科学家们的研究兴趣, 科研人员对比开展了大量研究。本文对过去十年里在“非晶”晶体材料研究中的进展进行小结和展望, 希望能够吸引更多研究者对此类材料进行深入的探索和研究, 并推动此研究领域不断向前发展。

晶体美丽有用, 构造和谐有序。光电功能晶体可实现光能和电能的相互转化, 在微电子、光电子、通信、航天及现代**技术等高科技领域占有重要地位。人类认识晶体, 源于天然矿物。从矿物晶体的发现到光电功能晶体的人工生长和应用经历了漫长的发展, 晶体种类、晶体质量、生长理论、生长技术以及应用等方面均取得了较大进展。本文简述了从矿物宝石到晶体学发展的历程, 介绍了压电晶体、电光晶体、激光晶体、非线性光学晶体和闪烁晶体等几类光电功能晶体发展历程及晶体生长研究的进展, 展望了未来光电功能晶体的发展趋势。

高功率固体激光技术的发展史就是一部与“废热”的斗争史, 为抑制热效应对光束质量的不利影响, 先后出现了热容激光器、薄片激光器、板条激光器以及光纤激光器, 新的增益介质形态结合先进的散热技术将激光输出功率提升至百千瓦量级。固体激光增益介质的热学性能是限制激光功率进一步取得突破的重要瓶颈。因此, 寻找具备超高热导率的激光晶体材料意义重大。本文介绍了上述四种激光器的基本原理及其在高功率激光方面取得的研究进展, 从提高增益介质材料热导率的角度出发, 对目前已有的方法和研究成果进行了分析与总结, 对超热导激光晶体研究和高功率激光技术的发展进行了展望。

稀土离子掺杂氟化物晶体具有宽透光波段高透过率、低声子能量、长荧光寿命、负热光系数等优良特性, 可以产生从紫外到中红外波段激光, 是一类重要的激光增益介质。本文综述了本团队在稀土离子掺杂LiLuF4、LiYF4、BaY2F8、LaF3、PbF2、CeF3等氟化物晶体生长、光学和激光性能等方面的研究进展, 总结了稀土离子共掺敏化、退激活、能级耦合调控以及多离子发光等方面的研究工作, 展望了稀土离子掺杂氟化物激光晶体的研究发展趋势。

紫外非线性光学晶体是组成紫外固态激光器的关键材料。目前, 紫外非线性光学晶体主要依赖硼酸盐晶体, 但已有的硼酸盐晶体并不能完全满足应用需求, 而进一步研发新型硼酸盐非线性光学晶体难度不断增大, 因此开拓新的材料体系显得尤为迫切。从硼酸盐结构与非线性光学效应关系可知, 含有平面共轭基团的硼酸盐具有大的倍频系数、合适的双折射率和短的紫外截止边等特性, 因此平面共轭基团是硼酸盐非线性光学晶体的核心功能基元。基于几何构型拓展平面共轭基团研究是探索新体系紫外非线性光学晶体材料的重要思路和关键环节。基于此, 本团队提出以具有平面三角共轭结构的碳酸盐、硝酸盐、胍盐和具有平面六元环共轭结构的氰尿酸氢盐、巴比妥酸氢盐等化合物为研究对象, 拓展紫外非线性光学晶体材料的探索范围。本文将主要介绍本团队近年来在碳酸盐、硝酸盐、胍盐、氰尿酸氢盐、巴比妥酸氢盐紫外晶体探索方面取得的研究成果。

稀土硼酸盐非线性光学(NLO)材料由于其在激光技术领域的重要应用而备受关注, 这主要是因为三价稀土离子如Y3+、Sc3+、Lu3+等可以有效抑制d-d和f-f电子跃迁从而扩宽化合物的透过范围, 同时稀土原子与氧原子结合成畸变的多面体可增强材料的非线性光学效应。A7MIIRE2(B5O10)3系列(RE为稀土金属, A为碱金属、M为二价金属)化合物是稀土硼酸盐中一类重要的材料, 其A、M以及RE位点具备灵活的占据方式, 近年来得到了广泛关注。通过化学元素取代法, 研究者们对该类化合物的种类进行拓展, 目前已经合成出数十种属于该体系的化合物。这些化合物的截止边大多处在紫外甚至是波长小于200 nm的深紫外波段, 非线性光学效应为0.4~2.1倍KDP, 在紫外以及深紫外波段非线性光学领域中展现出了应用潜力。本文对其研究现状进行了总结, 分析了其微观结构与光学性能之间的关系, 并指出不同位点组分对材料非线性光学性能的影响, 以期对此类化合物今后的发展提供参考。

自倍频晶体是将激光和非线性光学效应集于一体的一类晶体, 可以实现波长变换、调幅、开关、记忆等功能, 被广泛应用于光电子、光通信、激光等领域。然而现有的Nd∶LiNbO3(Nd∶LN)、Nd∶Na3La9O3(BO3)8(Nd∶NLBO)、Nd∶La2CaB10O19(Nd∶LCB)等晶体由于固有的光折变效应、二次谐波(SHG)输出功率低、光学均匀性差等缺点限制了其进一步的应用, 发展新的激光自倍频晶体具有重要的意义和价值。碳酸钙镁石家族硼酸盐晶体由于具有较大的非线性光学(NLO)系数、不易潮解、优异的光学性能和机械性能等优点, 近几十年来成为人们重点研究的对象。本文从晶体结构、生长方法、性能、发展趋势等方面, 着重介绍了碳酸钙镁石家族REM3(BO3)4(RE为稀土元素La-Lu和Y; M为Al, Ga, Sc)和LaxREyScz(BO3)4(RE=Gd, Y, Nd, Lu, Sm, Tb; x+y+z=3)共取代型硼酸盐非线性光学晶体。对比了不同助熔剂、气氛、方法生长的晶体的紫外(UV)截止边、光学性能、非线性性能的差异。通过改善生长工艺, 进行元素掺杂等可以得到光学性能良好、非线性性能显著、有广泛市场应用前景的自倍频(SFD)晶体。

铌酸锂(LiNbO3, LN)是一种多功能多用途的人工晶体, 被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速, 有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度, 使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称, 是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控, 重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果, 概述了铌酸锂光折变波导和孤子, 及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应, 并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势, 在光子学芯片的竞争中占据主导地位。

钙钛矿型(ABO3)弛豫铁电单晶具有优异的机电耦合性能, 被认为是研制下一代医疗超声换能器、高精度压电驱动器、水声换能器等机电耦合器件的核心关键材料。针对弛豫铁电单晶材料制备与物理性能方面尚存在的基础科学与工艺问题, 本文综述了近些年弛豫铁电单晶生长与性能优化方面的研究进展, 包括若干新的单晶生长方法用以改善弛豫铁电单晶的成分和性能均匀性, 提升弛豫铁电单晶压电性能的系列新方法, 通过铁电畴结构调控以获得高透光率的弛豫铁电单晶, 以及高性能弛豫铁电单晶在电光技术领域的应用等。

随着光通信技术与光子集成电路的发展, 非互易性器件作为光通信系统中重要的组成部分得到了越来越广泛的研究与应用。基于磁光效应制成的磁光隔离器和环行器是目前应用最为广泛的非互易性器件, 为了将非互易性器件整块集成在硅片上, 需制备性能与块状磁光材料相当的磁光薄膜。在近红外通信波段(1 550 nm), 以钇铁石榴石(Y3Fe5O12, YIG)为代表的稀土铁石榴石(RIG)具备优良的磁光效应, 是最具应用前景的磁光材料之一。研究发现, 使用稀土离子对YIG薄膜进行掺杂可以有效改善其磁光性能, 尤其是Bi3+和Ce3+掺杂的YIG表现出巨法拉第效应。本文首先介绍了法拉第效应原理, 介绍了三种常见磁光薄膜的生长方法, 回顾了近年来的主要研究成果, 介绍了磁光薄膜在光隔离器和环行器中的应用, 最后对磁光薄膜的未来发展趋势进行了展望。

4H碳化硅(4H-SiC)单晶具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高和稳定性良好等优异特性, 在高功率电力电子、射频/微波电子和量子信息等领域具有广阔的应用前景。经过多年的发展, 6英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC单晶衬底和同质外延薄膜已得到了产业化应用。然而, 4H-SiC单晶中的总位错密度仍高达103~104 cm-2, 阻碍了4H-SiC单晶潜力的充分发挥。本文介绍了4H-SiC单晶中位错的主要类型, 重点讲述4H-SiC单晶生长、衬底晶圆加工以及同质外延过程中位错的产生、转变和湮灭机理, 并概述4H-SiC单晶中位错的表征方法, 最后讲述了位错对4H-SiC单晶衬底和外延薄膜的性质, 以及4H-SiC基功率器件性质的影响。

在5G通信时代, 体声波(BAW)滤波器件成为实现高性能射频(RF)滤波的有效解决方案。在当前BAW器件发展最成熟的薄膜体声波谐振器(FBAR)技术和专利被少数几家公司持有的大环境下, 对压电薄膜生长、器件的制备工艺等方面进行突破, 形成独有的BAW器件技术路线显得尤为重要。本文综述了AlN薄膜的生长、AlN材料在BAW滤波器件的发展、基于AlN的BAW器件的制备及其应用。在国内研究者的努力下, 基于单晶AlN的体声波谐振器(SABAR)器件, 通过在材料生长方法及制备工艺上的独立自主创新, 不仅使BAW滤波器件的性能得到了进一步提升, 也给受到国外掣肘的国内射频滤波行业带来了一条摆脱国外“卡脖子”问题的新路线。

自2004年发现石墨烯以来, 二维材料以其丰富的带隙结构、独特的光电特性和无悬挂键的范德瓦耳斯表面等, 极大地拓宽了半导体电子、光电子器件的设计维度。其中二维硒化铟材料成为最具竞争力的未来高迁移率光电子器件用候选材料, 被诺贝尔奖获得者Andre Geim认为是“硅和石墨烯的‘黄金分割点’”。但人们对二维硒化铟材料的研究仅有不到十年的时间, 对其制备及应用的认识仍然不足。本文综述了二维硒化铟材料及其光电器件的研究现状。另外, 考虑到目前绝大多数二维硒化铟材料的研究是基于块状单晶体材料的机械剥离开始的, 因此本文首先回顾了硒化铟晶体结构的认识及其制备方法的发展历程, 在此基础上综述了二维硒化铟材料制备及其性能表征的前沿研究结果, 探讨了器件结构、材料制备方法等因素对二维硒化铟场效应晶体管和光探测器电学输运特性的影响, 最后分析了未来硒化铟材料及器件应用面临的机遇与挑战。

Ⅲ-Ⅵ族InSe晶体是一种非常重要的化合物半导体材料, 在高性能纳米电子器件、红外光探测、光电器件及柔性电子等领域有广泛应用。本文简要介绍了In-Se相图的发展历程, InSe具有非一致熔融特性, 可通过包晶反应从准化学剂量比或非化学剂量比溶液中析晶获得, 其中In/Se摩尔比对InSe转化率有重要影响。迄今, 垂直布里奇曼法、提拉法、水平梯度凝固法、低温液相法及气相输运法等多种技术被成功用于制备InSe晶体。为全面了解InSe晶体生长的历史和现状, 本文从工艺原理、技术要点、晶体生长结果等方面将国内外相关工作进行了梳理, 并对各种方法的优缺点进行了比较。研究分析表明: 垂直布里奇曼法因对设备要求简单, 操作简易, 现已成为制备高质量大尺寸InSe晶体的主流技术; 水平梯度凝固法则在ε型InSe晶体生长方面颇具特色, 未来可在新材料性能研究与应用探索上与垂直布里奇曼法形成一定补充。

“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一, 揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上, 晶体生长可以是有势垒的热激活过程, 也可以是无势垒的超快结晶过程, 这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看, 光滑界面是以台阶拓展的方式生长; 粗糙界面没有明显的固-液分层, 通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例, 以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体, 但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识, 建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法, 建立固-液界面, 模拟晶体生长, 将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。

采用物理气相传输(PVT)法扩径获得了8英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC籽晶, 用于8英寸导电型4H-SiC晶体生长, 并加工出厚度520 μm的8英寸4H-SiC衬底。使用拉曼光谱、全自动显微镜面扫描、非接触电阻率测试仪面扫描和高分辨X射线衍射仪对衬底的晶型、微管、电阻率和结晶质量进行了表征。衬底颜色均一并结合拉曼光谱表明衬底4H-SiC晶型面积比例为100%; 衬底微管密度小于0.3 cm-2; 衬底电阻率范围20~23 mΩ·cm, 平均值为22 mΩ·cm; (004)面高分辨X射线摇摆曲线半峰全宽为32.7″, 表明衬底良好的结晶质量。

本文使用导模法(EFG)制备了4英寸氧化镓(β-Ga2O3)单晶, 并对晶体物相、结晶质量、缺陷、光学及电学特性进行了研究。晶体不同方向劳厄(Laue)衍射斑点清晰一致, 符合β-Ga2O3衍射特征。晶体(400)面摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为57.57″, 通过化学腐蚀获得其腐蚀坑位错密度为1.06×104 cm-2。晶体在紫外截止边为262.1 nm, 对应光学带隙为4.67 eV。通过C-V测试分析获得非故意掺杂晶体中的电子浓度为7.77×1016 cm-3。

本文在考虑硅料的堆积孔隙率和熔化变形等因素的基础上, 建立了基于多孔介质的堆积硅料简化模型, 对光伏太阳能用准单晶硅铸锭系统的硅料熔化过程进行了数值模拟, 研究了不同侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率以及加热器总功率对籽晶熔化的影响。研究结果表明: 硅料的熔化时间和籽晶的熔化比例取决于侧/顶加热器功率比, 降低侧/顶加热器功率比和堆积孔隙率有助于籽晶的有效保留, 但会导致籽晶的熔化界面形状发生变化, 使杂质在籽晶熔化界面形状为“凹”的区域内聚集, 进而影响后续晶体生长的质量; 当加热器的总功率低于临界值之后, 籽晶的熔化界面形状会在靠近坩埚壁面的边缘区域发生变化, 导致不均匀成核的发生, 不利于准单晶硅铸锭的生产。在实际工况条件下, 可以根据由侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率、加热器总功率、籽晶的熔化比例和状态绘制的等值线图对工艺参数进行合理配置。

远程外延能够突破传统外延中晶格匹配、热匹配等限制, 近年来得到了广泛的关注。Ⅲ-Ⅴ族和Ⅲ-氮化合物半导体已经成功在石墨烯上远程外延生长, 但Ⅳ族半导体的远程外延很少被报道。本文首次借助于分子束外延技术在石墨烯上远程外延制备了半导体Ge纳米柱, 研究了其生长特性及剥离转移。结果表明: 远程外延生长的Ge纳米柱为[111]c晶向, 集中分布在石墨烯的褶皱以及衬底Cu-Ni原子台阶处; 随着生长温度的提高, Ge纳米柱的高度和密度逐渐下降, 但直径差别不大, 约为55~65 nm; 此外, 自组织生长的Ge纳米棒显示无应变的生长状态; 引入少量Sn形成GeSn纳米柱, 能够显著提升Ge纳米柱的面密度。同时, 生长的Ge纳米柱可实现剥离, 有望实现异质集成, 应用于先进光电子器件等领域。

本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP) Ⅰb、HTHP Ⅱa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHP Ⅱa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石, 其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018° 和1.45~1.85 cm-1。晶格畸变检测仪的检测结果表明, HTHP Ⅱa型金刚石单晶的应力分布主要有两种: 一种几乎无明显应力分布, 另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布, 其他区域无晶格畸变。HTHP Ⅰb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散, 晶格畸变复杂, 与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析, 结果表明, HTHP Ⅱa型金刚石位错密度为三者中最低, 仅为1×103 cm-2。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。

GdTaO4和LuTaO4是具有快发光衰减的新型重闪烁体。采用全谱拟合方法拟合了808 nm 激光二极管(LD)激发的M相Nd∶GdTaO4和M′相Nd∶LuTaO4的光致发光谱, 给出了它们的跃迁强度参数Akt,p。在808 nm 激光激发下, GdTaO4中Nd3+离子4F3/2能级的上下两个晶场子能级的粒子布居数比例接近1, 而在Nd∶LuTaO4中则为1.30、1.41, 表明在808 nm激光激发下, Nd3+的4F3/2两个晶场子能级间的无辐射弛豫速率与激发速率相近。通过给出的跃迁强度参数Akt, p计算了Judd-Ofelt跃迁强度参数Ωt, 计算了Nd3+在GdTaO4、LuTaO4中的2P3/2跃迁几率, 表明GdTaO4和LuTaO4中Nd3+的数百纳秒发光跃迁是由高的无辐射跃迁几率导致的快发光衰减。

Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT)由于具有优异的综合性能而成为应用最广泛的压电陶瓷。之前研究工作证明了与直流极化(DCP)和交流极化(ACP)相比, 采用交流极化和直流极化相结合的方法能进一步提高弛豫铁电单晶材料的压电性能。本工作报道了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化后PZT-4压电陶瓷的介电性能和压电性能, 探究了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化的最佳极化条件。在最佳交流极化+直流极化条件下, PZT-4 压电陶瓷的压电常数(d33)为350 pC/N, 相比直流极化(305 pC/N)、交流极化(320 pC/N)分别提高了15%和9%。交流极化后的PZT-4陶瓷样品的应变值(0.08%)高于进行直流极化样品的(应变值0.05%), 表明交流极化可以有效提高PZT-4陶瓷的应变值, 但是交流极化后应变曲线的滞后增大不利于器件应用, 交流极化对硬性压电陶瓷的影响还需要进一步探讨。