■ 神奇晶體“長(zhǎng)”出來(lái)
陶教授在介紹“中國(guó)晶”的時(shí)候,經(jīng)常用“長(zhǎng)”這個(gè)詞。為什么叫長(zhǎng)晶體呢?
他解釋說(shuō),我們做晶體,首先要下“種子”。開(kāi)個(gè)玩笑,就像生小孩兒一樣,要有個(gè)種子。還可以說(shuō)個(gè)形象的比喻,類似于長(zhǎng)珍珠,珍珠要在貝里下個(gè)東西,才能長(zhǎng)出來(lái)。我們也要下種子,從一小點(diǎn)點(diǎn)兒,慢慢地讓它生長(zhǎng),越來(lái)越大,就是一個(gè)長(zhǎng)晶體的過(guò)程。
晶體對(duì)于我們,就像有生命似的。長(zhǎng)出一個(gè)大的晶體,時(shí)間是很長(zhǎng)的。我們的大晶體,要生長(zhǎng)一年半左右。俗話說(shuō),十月懷胎一朝分娩。我們的晶體要長(zhǎng)18個(gè)月!比母親孕育一個(gè)嬰兒的時(shí)間還長(zhǎng)。我們長(zhǎng)出的最大晶體有800公斤重。
天然晶體是在特殊地質(zhì)條件下慢慢長(zhǎng)大的。包括天然的金剛石、水晶及各種寶石。物以稀為貴,天然的東西總歸少啊。如果工業(yè)運(yùn)用是不行的,要靠人工的方法生長(zhǎng)。金剛石是非常好的晶體,非常貴,用克拉來(lái)計(jì)算……工業(yè)上的金剛石,都是用人工方法生長(zhǎng)的。比如石油鉆井的鉆頭,都用金剛石,因?yàn)樗亲钣驳牟牧稀?/span>
晶體的生長(zhǎng),下了種子,還要給它創(chuàng)造一個(gè)人為的生長(zhǎng)環(huán)境。生長(zhǎng)環(huán)境非常重要。晶體生長(zhǎng),一個(gè)靠科學(xué),一個(gè)靠技術(shù)。就像人才的成長(zhǎng),需要合適的環(huán)境。如果沒(méi)有好環(huán)境,肯定長(zhǎng)不出好的晶體。
晶體生長(zhǎng)是一門綜合交叉學(xué)科,涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械、自動(dòng)控制等眾多學(xué)科。生長(zhǎng)晶體有不同的方法,有的是從水溶液里面長(zhǎng),有的是從高溫的熔體里面長(zhǎng)等。
我們用助熔劑生長(zhǎng)KTP晶體,這個(gè)方法開(kāi)創(chuàng)了用高溫溶液產(chǎn)業(yè)化生長(zhǎng)晶體的先河。
晶體的生長(zhǎng)環(huán)境是在晶體生長(zhǎng)爐里面實(shí)現(xiàn)的。以前,我們的晶體生長(zhǎng)爐是半自動(dòng)化的,需要人工控制,24小時(shí)盯著,十分辛苦。最近幾年,我們?cè)谧灾餮兄葡冗M(jìn)晶體生長(zhǎng)設(shè)備方面也取得了重要進(jìn)展。研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的晶體生長(zhǎng)爐。這種爐子非常好用,它的爐膛內(nèi)徑達(dá)1米,具有紅外實(shí)時(shí)測(cè)溫、真空與非真空(流動(dòng)氣氛)有效切換、高精度晶體提拉控制等特點(diǎn)。用自主研制的設(shè)備,我們長(zhǎng)出了在國(guó)際上尺寸領(lǐng)先的激光晶體。爐子的軟件也是我們自己設(shè)計(jì)的。國(guó)外的爐子自動(dòng)化程度很高,就像傻瓜相機(jī)一樣,種子放進(jìn)去,就開(kāi)始長(zhǎng)晶體了,中間不能干涉它,不管長(zhǎng)得好壞,它就這樣了。我們的爐子的特點(diǎn)是自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合,需要自動(dòng)就自動(dòng),需要手動(dòng)就手動(dòng)??梢约由先说囊庵?,我可以控制它的生長(zhǎng)。這里有我們創(chuàng)新的技術(shù)。
■ 前景絢麗妙無(wú)窮
我說(shuō),作為普通讀者,在為“中國(guó)晶”而自豪的同時(shí),還想了解晶體的應(yīng)用推廣給我們的生活帶來(lái)哪些影響?以及未來(lái)的世界將可能發(fā)生哪些變化?
陶教授說(shuō),這方面的事例太多了。材料是基礎(chǔ)。一旦一代新材料成功,一代新的器件就產(chǎn)生了,甚至引起產(chǎn)業(yè)革命。比如,單晶硅是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ),幾乎全部集成電路都是在單晶硅上完成的。以前的計(jì)算機(jī),體積非常大,運(yùn)算速度卻很慢。現(xiàn)在,“筆記本”夾著就走?,F(xiàn)在一個(gè)小小的U盤,頂過(guò)去多少?gòu)圓盤?電視也一樣,以前29口寸的電視你抱不動(dòng),現(xiàn)在46口寸液晶的,一提就走了,還能掛在墻上。將來(lái),基于深紫外激光的微細(xì)加工技術(shù)、基于晶體或光纖的高功率激光、基于藍(lán)寶石的LED、基于閃爍晶體的醫(yī)療器械和輻射探測(cè)設(shè)備、基于晶型控制的藥物設(shè)計(jì)和蛋白質(zhì)結(jié)晶以及基于人工設(shè)計(jì)的準(zhǔn)晶和納米晶體的不斷涌現(xiàn),將影響我們生活的方方面面。
核電站會(huì)更安全
日本大地震導(dǎo)致核泄漏,讓世人驚恐。還有前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故,像弄了顆原子彈,危害非常大。一旦出了問(wèn)題,就不可控制。
我們國(guó)家的“神光”工程,其中的一項(xiàng),就是用很強(qiáng)的激光來(lái)控制核聚變。用多束極強(qiáng)的激光集中到一點(diǎn),射擊靶材料,溫度可超過(guò)一億度。它會(huì)產(chǎn)生非常巨大的能量。這個(gè)問(wèn)題解決以后,可以為人類提供源源不斷的潔凈能源。只要一點(diǎn)點(diǎn)核原料,就能滿足我們的需求。一旦獲得成功,能源就不成問(wèn)題了。因?yàn)楹K锏碾浅6?,只要一點(diǎn)點(diǎn),產(chǎn)生的能量就非常巨大,而且很安全。
現(xiàn)在核電站用的是核裂變的方法,核裂變的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生輻射,它的危險(xiǎn)就在這里。日本大地震后的核危機(jī),問(wèn)題就在核輻射。如果這個(gè)技術(shù)解決了,人類就不會(huì)為核電站的安全擔(dān)憂了。因?yàn)樗脑硎窍喾吹?,那個(gè)是裂變,這個(gè)是復(fù)合到一起的核聚變。核聚變不會(huì)產(chǎn)生輻射。
為什么要用我們的晶體呢?因?yàn)椋F(xiàn)在常用的激光波長(zhǎng)在紅外區(qū),用它時(shí)靶材不吸收,必須用短波長(zhǎng)的光。通過(guò)我們的晶體材料變頻,把它變成短波長(zhǎng)激光,才能被靶材吸收。就像我們?cè)诤┗蚵短?,有太?yáng)的紫外線照射,如果我們的皮膚不吸收光,身體就不會(huì)發(fā)熱。它吸收了,才會(huì)感到熱。簡(jiǎn)單地說(shuō),我們的晶體就是把眼睛看不見(jiàn)的紅外光,變成看得見(jiàn)的光及紫外光。還有,我們不能到大氣中做核試驗(yàn),但是,可以通過(guò)激光模擬核試驗(yàn)……這是一個(gè)大工程,我們只是為它提供關(guān)鍵的那個(gè)材料。
航天航空顯身手
“天宮一號(hào)”升天,成功實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接,我們將會(huì)有中國(guó)人的空間站。太空的輻射非常強(qiáng),航天器高速飛行時(shí)與大氣摩擦產(chǎn)生非常大的熱,因此,航天器用的一些材料需要抗輻射,耐高溫等。氧化鋯的熔點(diǎn)非常高,抗輻射,但氧化鋯長(zhǎng)纖維非常難做。山東大學(xué)晶體材料研究所及晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以“十年磨一劍”的精神,使氧化鋯長(zhǎng)纖維實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
陶教授激動(dòng)地說(shuō),你看看,這就是氧化鋯長(zhǎng)纖維,像棉花一樣。我們以這些纖維為基礎(chǔ),加工了各種形狀的氧化鋯型材。它能抗輻射、耐高溫,是航天航空不可或缺的材料。
還有,隨著武器裝備的更新?lián)Q代,多功能復(fù)合的光電窗口及器件的需求越來(lái)越大。多光譜窗口和整流罩是這些技術(shù)的關(guān)鍵部件,它既要保證光電傳感器的光學(xué)性能,以確保其成像質(zhì)量,又要保護(hù)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#傳感器及其光電裝置不被外界環(huán)境損傷。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)良的機(jī)械、光學(xué)和熱學(xué)性能,是各種窗口和整流罩的理想材料。
環(huán)境治理前景廣
能源與環(huán)境治理是人類面臨的兩大難題。除了通過(guò)激光核聚變來(lái)解決能源之外,在解決環(huán)境污染問(wèn)題上,晶體材料已經(jīng)發(fā)揮了積極作用,其前景很廣闊。
環(huán)境問(wèn)題,包括水系的污染,污水的處理,還有垃圾等各種污染物的處理。新型光催化材料,在可見(jiàn)光照射下,可以讓污染物降解。比如,有機(jī)的污染物,能被降解成小分子化合物,實(shí)現(xiàn)無(wú)毒化處理。
它還可以分解水,把水分解成氫氣和氧氣,這都是好東西啊?,F(xiàn)在,我們的污水處理成本很高,推廣困難。如果用光催化材料,初期成本可能會(huì)高一些,但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后,成本會(huì)大大降低。
山東有許多鹽礦,伴生著很臭的硫化物,鹽水出來(lái)以后太臭了。老百姓有意見(jiàn),有的鹽礦被迫停產(chǎn)。我們重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室把納米晶體運(yùn)用到鹽礦污染治理,用光催化技術(shù),解決了臭的問(wèn)題,使停產(chǎn)的鹽礦又充滿了生機(jī)。
無(wú)所不在“中國(guó)晶”
晶體材料的應(yīng)用可謂無(wú)處不在,就在我們的生活里。比如,它用在手機(jī)的濾波器上,不然,手機(jī)就有各種雜音。我們檢測(cè)用的正電子發(fā)射斷層掃描儀,關(guān)鍵部件就是閃爍晶體。我們隨處可見(jiàn)的汽車的轉(zhuǎn)向燈、尾燈、霓虹燈,一閃一閃的,用的都是發(fā)光二極管,大部分都要在藍(lán)寶石晶體上制作。液晶顯示屏本身是不發(fā)光的,它需要一個(gè)背景光源,需要白光LED,這項(xiàng)技術(shù)我們搞了20多年,使我國(guó)半導(dǎo)體發(fā)光器件終于有了“中國(guó)芯”。將來(lái)的激光電視,更離不開(kāi)晶體。
天黒看不見(jiàn)東西,用紅外可以看見(jiàn),還有一些環(huán)境的監(jiān)視、紅外探測(cè)、紅外攝像。比如,工業(yè)檢測(cè)的時(shí)候,溫度很高,不能用人去看,要用紅外線探測(cè),電路板有沒(méi)有短路?可以用紅外探測(cè),其關(guān)鍵部件是紅外晶體。
開(kāi)關(guān)大家都知道,有機(jī)械開(kāi)關(guān)、電開(kāi)關(guān)。這類開(kāi)關(guān)的速度很慢。如果用光開(kāi)關(guān),光的頻率很高,開(kāi)關(guān)速度非常快。在關(guān)的狀態(tài)下,瞬間打開(kāi),就容易得到高功率密度的激光。
現(xiàn)在,世界上許多國(guó)家都在做激光武器。美國(guó)用激光武器打無(wú)人機(jī),還作為反導(dǎo)武器,導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中,就可以被打下來(lái)。因?yàn)楣獾乃俣确浅??,?dǎo)彈的飛行速度相對(duì)光來(lái)說(shuō)是非常慢的,因此,激光可以摧毀導(dǎo)彈。激光武器需要很好的晶體材料。目前的激光武器,功率比較高的是氣體激光,但氣體激光的體積非常大,這個(gè)東西,用起來(lái)非常不便,所以需要固體激光武器,體積就可以小得多。就像液體燃料火箭和固態(tài)燃料火箭,液體的就大,不方便。
激光還可以用在防暴武器上,就是眩暈,這個(gè)光很亮,又避免把眼睛打瞎,瞬間讓犯罪分子眩暈,瞬間致盲,失去攻擊能力。這是新型的警用武器,用的就是“中國(guó)晶”。
非線性光學(xué)晶體的一個(gè)重要性能是改變激光的波長(zhǎng)。物理學(xué)規(guī)律告訴我們,波長(zhǎng)每縮短一倍,存儲(chǔ)的密度就會(huì)增加4倍。隨著集成電路器件密度增加,器件的線度越來(lái)越小,隨之制作集成電路的光刻技術(shù)要求光的波長(zhǎng)越來(lái)越短。利用非線性光學(xué)晶體的倍頻效應(yīng)是產(chǎn)生短波長(zhǎng)的重要方法。國(guó)際上看好KBBF“中國(guó)晶”,認(rèn)為它可能成為新一代光刻系統(tǒng)中準(zhǔn)直部分的優(yōu)選光源。
“中國(guó)晶”正在向世界展示它絢爛的光彩。
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