山东商报·速豹新闻网记者 张舒 通讯员 刘珂珂 刘哲
大数据与新一代信息技术产业，是济南市重点发展的四大主导产业之一。由济南大学刘宏教授、孙德辉教授率领的科研团队，经过两年艰苦卓绝的奋战，率先研制出12英寸（直径300mm）的超大尺寸光学级铌酸锂晶体。这是国际上首次报道12英寸超大尺寸铌酸锂晶体，标志着我国光电子产业关键材料产业水平取得重大突破。
“揭榜挂帅”
汇聚科研力量，开启攻坚征程
铌酸锂晶体是一种具有压电、电光、声光及非线性光学等多种效应的多功能晶体材料，且物理化学性质稳定，是至今人们所发现的光子学性能最高、综合指标最好的一种人工晶体，是集成光电子技术的核心基础材料。其光电性能可调控性强，在集成光电子领域具有颠覆性潜力，被称为“光学硅”。
研究表明，基于铌酸锂光学平台开发出的全球领先的微波光子芯片，可运用光子进行超快模拟电子信号处理及运算，比传统电子处理器快1000倍，不仅能耗更低，而且应用范围广阔，涵盖无线通信、高分辨率雷达、人工智能、计算机视觉、图像/视频处理等多个领域。例如，在光通信方面，铌酸锂晶体用于高速光调制器、全光信息处理；在人工智能方面，应用于计算机视觉、图像处理，光子芯片加速AI运算；在雷达与无线通信方面，高分辨率雷达系统受益于其高频信号处理能力及低能耗特性。
回溯至三年前，济南市高瞻远瞩地推出“揭榜挂帅”科技计划，犹如吹响了向光电子领域科研高峰冲锋的号角。济南大学科研团队以其深厚的科研积淀，在8英寸铌酸锂晶体科研成果基础上深度发力，为12英寸晶体研发注入强大动力。团队大胆创新，在世界上首次提出研发12英寸铌酸锂晶体生长技术的构想，并成功入选“2022年济南市‘揭榜挂帅’重点项目”。
铌酸锂晶体生长最关键的是保持晶体生长界面的平衡。晶体尺寸越大，生长的界面也就越大，因而越难控制。科研团队投身项目伊始，便凭借多年专注铌酸锂晶体研究积累的理论知识与实践经验，成为项目团队中的“智囊团”。从晶体生长的基础理论研究，到实验室初步方案设计，团队成员充分发挥专业优势，运用先进的晶体生长动力学、有限元仿真学等知识，为项目搭建起坚实的理论框架。
此次科研攻关不仅关乎企业的发展，更是我国光电子产业突破国际瓶颈、实现弯道超车的希望所在，承载着无数科研人的梦想与国家科技发展的重任。
披荆斩棘
两年砥砺奋进，攻克重重难关
项目启动后，科研团队旋即踏入充满荆棘的探索之路，迎接他们的是前所未有的重重困难，每一步都充满艰辛与挑战。
生产设备和热场的设计堪称首道“天堑”。要实现12英寸铌酸锂晶体稳定生长，常规生长设备参数与热场架构远远无法满足需求。团队负责人孙德辉教授和他的学生便整日泡在实验室与车间，反复模拟、测试、优化。孙德辉凭借多年经验，为生长设备关键部件改良提出诸多建设性意见。从设备整体架构设计，到每一个零部件选材、加工精度，都经过无数次斟酌调整，最终打造出能够适合超大尺寸铌酸锂晶体的生长设备，为晶体生长奠定硬件基础。
然而，晶体生长过程才是真正的“硬骨头”。铌酸锂晶体生长宛如一场微观世界的精细舞蹈，温度稍有偏差、热场梯度微小波动，或生长速率控制不当，都会导致晶体出现瑕疵甚至生长失败。最初几个月，科研团队遭遇数十次失败，看着生长失败的晶体，大家心情沉重。孙德辉给大家鼓舞士气：“失败是成功路上的垫脚石，这些晶体虽有缺陷，却在‘告诉’我们问题所在，给我们指明了改进方向，当我们把该遇到的问题都见一遍，那时候我们就能摸到12英寸晶体了。”
在12寸晶体生长工作中，难题接踵而至。博士生韩文斌就遇到了棘手状况，实验中连续出现几个异形晶体，形似飞碟状。韩文斌回忆，“这样形状的晶体对于后期的加工极为不利，当时我心里特别着急。”他迅速将几次实验的参数拿给孙德辉讨论，孙德辉凭借深厚的专业知识，一针见血地指出关键：晶体尺寸太大，越接近边缘线速度越快，晶体在边缘结晶就成了奇特的“飞碟”模样。与此同时，团队做理论计算的李陈哲通过计算机模拟，得出相应理论结果，有力支撑了项目推进。随后，他们依据分析果断调整晶体生长参数，成功解决这一难题。
一波未平一波又起，晶体尺寸大、重量高又引发新危机。好不容易生长的晶体，在得到晶体前的降温冷却阶段，籽晶断裂坠落、开裂了，这让大家心疼不已。韩文斌和团队成员们没有气馁，立刻深入分析原因，发现是下种孔道温度低，温度下降太快导致应力不均所致。他们迅速采取措施，增加这个部位的保温，精心改进降温参数，经过多次尝试，最终成功取出完整的12英寸晶体。
功夫不负有心人，这场艰苦卓绝的科研战役后，最终突破12英寸铌酸锂晶体生长技术，实现从追随者到开拓者的华丽转身。
产业新航标
乘风破浪，开启光子芯片新纪元
1月20日，山东省第十四届人民代表大会第三次会议开幕。今年的省政府工作报告提及了二十多项“首位”“首个”“第一”等成就。其中提到，12英寸碳化硅衬底、超大尺寸铌酸锂晶体全球首发。同时，这一重大突破成功入选2024年度山东省十大科技创新成果榜单，不仅为济南的科技发展添上浓墨重彩的一笔，更是我国迈向光电子强国征程中的关键里程碑。
铌酸锂晶体是材料科学领域的璀璨明珠，集压电、电光、声光及非线性光学等多种独特效应于一身，当之无愧成为集成光电子技术核心基础材料。现代研究更是揭开其惊人潜力：基于铌酸锂光学平台开发的微波光子芯片，运算速度堪称“闪电”，比传统电子处理器快1000倍，为解决当下电子芯片算力瓶颈提供革命性方案。
在后摩尔时代，光子芯片以速度快、能耗低、性能稳优势，成为科学界和产业界共同瞩目的焦点。而大尺寸铌酸锂晶体恰是光子芯片迈向产业化关键基石。孙德辉介绍：“晶体尺寸越大，单位芯片成本越低，这是光子芯片大规模普及的经济学根基。”济南大学—山东恒元半导体科研团队在此过程中持续发力，一方面深入研究优化8英寸铌酸锂晶体产业化技术，提高良品率；另一方面，抢占下一代晶圆材料的技术高地，率先突破12英寸铌酸锂晶体生长技术，为未来光子产业发展做好技术储备。
12英寸铌酸锂晶体研制成功，犹如在济南集成光电子产业大海上扬起巨型风帆，助力其加速远航。这一成果不仅彰显济南在光电子关键材料制备技术上的世界领先地位，更如涟漪般向外扩散，带动上下游产业协同发展。
现如今，铌酸锂产业已经成为山东省、济南市重点发展的产业方向。2024年山东省科学技术厅批复了山东省铌酸锂光电集成功能材料重点实验室的筹建方案，就是刘宏、孙德辉教授团队依托济南大学，联合济南市内上下游企业共同筹建的。
孙德辉表示，展望未来，科研团队将扎根省重点实验室，向着更高性能材料、更先进制备工艺进发，培养更多光电子领域专业人才，为产业持续注入新鲜血液。
