鈮酸鋰晶體，集壓電、電光、聲光及非線性光學等多種獨特效應于一身，是集成光電子技術核心基礎材料。近日，記者從濟南大學了解到，由該校劉宏教授、孫德輝教授率領的山東恒元半導體科技有限公司-濟南大學聯合科研團隊，經過兩年奮戰，率先研制出12英寸(直徑300毫米)的超大尺寸光學級鈮酸鋰晶體。這一重大突破——“12英寸光學級鈮酸鋰晶體”入選2024年度山東省十大科技創新成果榜單。
大膽創新，歷時兩年突破瓶頸
濟南大學科研團隊在8英寸鈮酸鋰晶體科研成果基礎上大膽創新，在世界上首次提出研發12英寸鈮酸鋰晶體生長技術的構想，并入選2022年濟南市“揭榜掛帥”重點項目。
項目啟動后，迎接科研團隊的是前所未有的困難。生產設備和熱場的設計堪稱首道“天塹”。要實現12英寸鈮酸鋰晶體穩定生長，常規生長設備參數與熱場架構遠遠無法滿足要求。孫德輝帶領學生整日泡在實驗室與車間，反復模擬、測試、優化，最終打造出能夠適合超大尺寸鈮酸鋰晶體的生長設備，為晶體生長奠定硬件基礎。
然而，晶體生長過程才是真正的“硬骨頭”。鈮酸鋰晶體生長宛如一場微觀世界的精細舞蹈，溫度稍有偏差、熱場梯度微小波動，或生長速率控制不當，都會導致晶體出現瑕疵甚至生長失敗。最初幾個月，科研團隊遭遇數十次失敗，孫德輝不斷給大家加油鼓勁，“這些晶體雖有缺陷，卻在‘告訴’我們問題所在，指明了改進方向”。
在12英寸鈮酸鋰晶體生長過程中，難題接踵而至。博士生韓文斌在實驗中連續出現幾個異形晶體，形似飛碟狀。“這樣形狀的晶體對于后期的加工極為不利。”韓文斌說。他迅速將幾次實驗的參數提交孫德輝，孫德輝指出問題關鍵：晶體尺寸太大，越接近邊緣線速度越快，晶體在邊緣結晶就成了奇特的“飛碟”模樣。與此同時，團隊做理論計算的李陳哲通過計算機模擬，得出相應理論結果。隨后，他們依據分析調整晶體生長參數，成功解決了難題。
一波未平一波又起，晶體尺寸大、重量高又引發“新危機”。好不容易生長的晶體，在得到晶體前的降溫冷卻階段，籽晶斷裂墜落，這讓大家心疼不已。韓文斌和團隊成員們立刻深入分析原因，發現是下種孔道溫度低，溫度下降太快導致應力不均所致。他們迅速采取措施，增加這個部位的保溫，精心改進降溫參數，經過多次嘗試，最終成功取出完整的12英寸晶體。
為未來光子產業發展做好技術儲備
光子芯片以速度快、能耗低、性能穩優勢，成為科學界和產業界矚目的焦點，而大尺寸鈮酸鋰晶體恰是光子芯片邁向產業化的關鍵基石。孫德輝說：“晶體尺寸越大，單位芯片成本越低，這是光子芯片大規模普及的經濟學根基。”科研團隊在此過程中持續發力，一方面深入研究優化8英寸鈮酸鋰晶體產業化技術，提高良品率;另一方面，搶占下一代晶圓材料的技術高地，率先突破12英寸鈮酸鋰晶體生長技術，為未來光子產業發展做好技術儲備。
12英寸鈮酸鋰晶體研制成功，不僅彰顯濟南在光電子關鍵材料制備技術上的世界領先地位，更帶動上下游產業協同發展。
如今，鈮酸鋰產業已經成為山東省、濟南市重點發展的產業方向。2024年，山東省科學技術廳批復了山東省鈮酸鋰光電集成功能材料重點實驗室的籌建方案，由劉宏、孫德輝團隊依托濟南大學，聯合濟南市上下游企業濟南晶正電子科技有限公司、山東恒元半導體科技有限公司共同籌建，孫德輝擔任重點實驗室主任。
孫德輝表示，未來科研團隊將扎根省重點實驗室，向著更高性能材料、更先進制備工藝進發，培養更多光電子領域專業人才，為產業持續注入新鮮血液。
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