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祝世宁:从天然结构到人工微结构

2022-11-08   396    

    近日,南开大学孙军教授对中国科学院院士、《人工晶体学报》主编祝世宁进行专访——从天然结构到人工微结构。

    以下内容已全文刊登于《人工晶体学报》2022年51卷第10期,欢迎下载:孙军.晶体人生丨祝世宁:从天然结构到人工微结构[J]. 人工晶体学报,2022,51(9-10):1515-1518.


编者按

“美哉,人工晶体,智慧与心血的结晶。伟哉,育晶之人,奉献晶体凝练自己。壮哉,晶体人生,人晶融合始终如一。” 十多年前,我国著名晶体学家和教育家、功能晶体研究和开发的先驱者蒋民华院士曾作《晶体赋》,诗的结尾用寥寥数语高度凝练了晶体研究、人才培养和人生追求三者间的关系,留下了“育晶育人”之励志佳句激励后学。

“成晶与做人何其相似,育晶和育人相辅相成!”中国的人工晶体研究在国际人工晶体材料发展史中占有一席之地,曾为人工晶体大家庭提供过多种“中国牌”晶体,为当代信息和能源技术发展做出了重要贡献。辉煌成就的取得,离不开这么一群“晶体人”的奉献,他们怀揣梦想,脚踏实地,用自己毕生的信念践行着“育晶育人”之理念,成就着他们的“晶体人生”。

值此纪念《人工晶体学报》创刊五十周年之际,《人工晶体学报》开设《晶体人生》栏目,邀请编委对国内晶体界的资深学者进行专题访谈,访谈内容涉及他们所从事的研究工作、知识分享和深度思考,从中感悟他们对晶体事业的追求与热爱,体会“科学家精神”的内涵和精髓。让他们的心得和故事成为业界的宝贵精神财富,让他们的学术思想得以传承和发扬,让更多“中国牌”晶体在全世界继续绽放异彩!

本期全文发表南开大学孙军教授对中国科学院院士、《人工晶体学报》主编祝世宁的专访——从天然结构到人工微结构


祝世宁(1949—),南京大学教授,博士生导师,中国科学院院士,中国光学学会(COS)会士,美国光学学会会士(OSA fellow),美国物理学会会士(APS fellow)。现任南京大学学术委员会副主任,《人工晶体学报》主编,《国家科学评论》(NSR)数理编辑组组长,《中国科学》《科学通报》《量子电子学报》等刊物编委。长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学与量子信息方面的基础研究与应用基础研究。与合作者一起完成的研究工作曾获国家自然科学一等奖(2006)、首届中国光学科技奖一等奖(2018)、高等学校科学自然科学一等奖(2020)和江苏省基础研究重大贡献奖(2019)等。

以下内容中,“Q”代表孙军教授,“A”代表祝世宁院士。

Q1对称性与周期结构是固体物理学的基础,也是晶体学的基础。您长期从事人工微结构研究,那么晶体结构和人工微结构之间是否具有相同或相近的科学内涵?这次有机会采访您,请您给我们讲一讲。

A1天然晶体和人工晶体都是由原子或分子按照一定的空间周期结构排列而成,如要形成稳定的结构,它们同时还需要满足一定的旋转对称性。晶体的物理性能与组成元素(原子或分子)的性质及其排列方式密切相关,不同的原子或分子、不同的排列方式,形成了性能各异的晶体材料,有的是半导体,有的是导体,还有的是绝缘体(介电体)等。即使同种原子,由于在空间的排序不同和同素异构,也会有不同物性,例如能导电的石墨和绝缘的金刚石都是由碳原子构成的,只是这些原子的空间键合方式与排序不一样。除了导电性能外,两者之间其他物理性能差别也很大。

然而,天然晶体的种类是有限的,天然晶体也不能满足人们对材料不断增加的需求。于是,科研人员就想到在晶体中人为“因地制宜”地构造特定微结构(例如铁电晶体中的铁电畴),这些人工微结构相当于均匀晶体中的天然原子,如果依照晶体的构建思路让其在空间有序排列,形成“超晶格”,这种“超晶格”晶体就会有新的物理性能。

所以,微结构材料就是采用功能基元(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、可设计的超常物理性能。这为材料的设计及其性能的调控提供了更多的可能性,使材料研究进入一个新的阶段。

Q2人工微结构材料现在涉及面很宽了,这个方向是怎么发展起来的?

A2人工微结构最早是在半导体材料中引入的。上个世纪70年代,科学家用分子束外延将两种不同能带的半导体材料交替生长,得到类似晶格排布的周期结构,由于每一周期包括数百甚至更多的晶格周期,所以被称为半导体超晶格。每种半导体材料具有特定的能带结构,发特定波长的光。而半导体超晶格可以选择不同的半导体材料组合,通过调节周期大小,利用量子限制效应,构建出超晶格新的能带,因而能发出不同波长的光,并且可调,这就是半导体激光器基本原理。

第二种人工微结构材料是周期极化铌酸锂晶体。铌酸锂是铁电晶体,晶体内部存在自发极化各异的区域形成畴。如果通过一定技术使晶体内畴的极化方向呈正负交替定向排列,并且选择畴间隔即周期与晶体中非线性过程中光波的相干长度相当,就可以使铌酸锂晶体非线性效应显著增强。这不同于半导体中由不同能带结构形成量子阱作为基础微结构单元,在非线性光学领域,周期极化的非线性晶体叫作光学超晶格,如周期极化铌酸锂(PPLN)、周期极化KTP(PPKTP)等。

需要注意一点,在铌酸锂晶体或其他铁电晶体中是以铁电畴作为微结构单元进行调控的。但光学超晶格不一定非要用铁电晶体来构筑。石英是一种极性晶体,透光范围可至深紫外,但石英晶体中并不存在“畴”。最近山东大学相关团队用激光“烧蚀”的办法,在石英晶体内部制备周期性结构,激光“烧蚀”过的地方变成非晶,极性被擦除,这样非线性系数不是正负调制,而是正零调制。这种技术早先也被我们组在铌酸锂晶体中制备三维准相位匹配结构时用过,这次他们巧妙地用到了石英晶体上。这样一来,石英晶体也可以实现准相位匹配深紫外激光倍频,很有意义。因为石英晶体可以生长得很大,器件可以做得很长,这样就有可能实现高功率激光紫外倍频。

最近南京大学的研究组还发现了一种新的铌酸锂畴反转技术,即飞秒激光诱导,可实现在铌酸锂晶体内部的畴反转。由于铌酸锂晶体是透明的,飞秒激光可在铌酸锂晶体中写出三维纳米畴结构,并把畴的尺度从微米缩小到纳米量级,这为铌酸锂晶体带来新的发展机遇。

第三种人工微结构光功能材料是光子晶体。与天然晶体的结构能控制电子运动类似,光子晶体是通过微结构基元及其空间序构的设计,构建出光子带隙,使光能够通过、微弱通过,或者不能通过晶体,就像导体、半导体或者绝缘体一样。光子晶体是利用介质折射率周期性调制来构建,调制周期大小跟光波长的一半或四分之一尺寸相当,所以也常被称为光子带隙材料。声子晶体与此类似,主要用于控制声波的激发与传输。调制的物性可以是材料密度、弹性系数、压电系数等,构建特定的序列结构实现声的反射、折射、透射甚至隐身等。

再后一点出现的人工微结构材料应该是超材料或称超构材料(metamaterials),这是上世纪末提出的一种新的人工微结构材料体系。它最早被用于微波波段电磁波调控,其中的人工微结构是开口金属环和金属导线组成的电磁共振单元。现在超构材料已被用于光、声、热等不同物理性能的调控,微结构单元也不仅仅用金属构筑,而是根据需要选择。例如用于成像的平面超透镜就是选用氧化钛、氮化镓等高折射率材料,可见光波段超透镜其基础微结构单元的特征尺度在数百纳米。光学超构材料与光子晶体的区别在于设计微结构及空间分布的理论方法不同,前者用的是有效介质理论,后者用的是光子能带理论,因而两种微结构材料应用的场合也各不相同。

目前超构材料已包括光学、声学、热学、电磁、力学等不同类型和功能,当然每类超构材料中微结构基元的构成、功能与序构也各不相同。结合机器学习和人工智能,超构材料中的基础结构单元和空间序构可以按需设计,突破了原来周期结构的限制,这为新材料的研发和突破传统材料的性能瓶颈带来无限机遇。

Q3从铌酸锂晶体的畴结构调控开始,南京大学科研团队在人工微结构方面做出许多原创性的工作,您作为团队重要的领导者之一,请您谈一谈南京大学在人工微结构方面的研究情况。

A3南京大学对于人工微结构的研究是从激光频率转换方面的应用开始的。

1960年激光问世以后,非线性光学开始蓬勃发展起来,当时主要是寻找合适的激光倍频晶体。1970年代,南京大学物理系承担这项任务的闵乃本先生和同事一起生长出了有周期性畴结构的铌酸锂晶体,并用这种晶体实现了1.06 μm YAG激光的高效倍频,首次实验验证了诺贝尔奖获得者Bleombergen等于1962年提出的准相位匹配原理。

1980年在上海举办的激光国际会议上,南京大学这一成果引起国外同行的关注,作为重要成果被直接推荐到美国应用物理快报(APL)上发表了。

这一进展证实了微结构研究的重要性,南京大学开始加速对各类材料中微结构物理的研究。1984年国家开始筹建国家重点实验室,南京大学提出的固体微结构物理国家重点实验室建设方案得到上级部门批准,于是成为最早建成的十个国家重点实验室之一。

当时国际上对材料微结构研究尚属冷门,很少有人问津。但是我们的前辈老师很有眼光,看到了微结构中深刻的物理内涵和人工微结构在未来材料科学和技术中的重要地位。他们适时将南京大学物理系原金属物理专业的重点发展方向转向晶体物理与材料,重点研究包括非线性晶体、激光晶体和其他功能材料中的人工微结构。

到了1990年代初,我们采用半导体平面技术,发展了铁电晶体的外电场图案极化技术,实现了铌酸锂周期电畴的精准制备。类比半导体超晶格,我们将周期极化的铌酸锂晶体分成两类,用于光学应用的叫光学超晶格,用于声学应用的叫声学超晶格。由于外电场图案极化技术能对电畴精准制备并且图案可以自由设计,1997年我们制备出第一块具有Fibonacci序列的准周期光学超晶格,首次在铌酸锂晶体中实现了高效的激光三倍频和多波长激光倍频。这个工作再一次证明人工微结构的调控能力。设想一下,如果没有人工微结构和超晶格的设计思想,高效激光三倍频怎么可能在二阶非线性晶体中实现呢?

Q4我国科技工作者为全球的晶体材料领域科技发展做出了突出贡献,在铌酸锂晶体及集成光子学应用领域,我们中国科技工作者又扮演了什么角色?

A4今年在青岛召开的第三届光电子集成芯片立强论坛上,讲到铌酸锂材料时,我提到了我国科技工作者三方面的卓越贡献,虽然不全面,但有代表性。这三个方面:一是铌酸锂晶体中铁电畴调控的几种主要技术方案是由我们首先发展的;二是铌酸锂晶体的掺杂改性,特别是被称为“中国之星”的掺镁铌酸锂晶体研制是我国研究人员率先突破的;三是薄膜铌酸锂(LNOI)的产业化和批量供应,也是我国技术人员最先实现的,为后续国际、国内一批高水平团队利用LNOI做出开创性工作奠定了基础。

应该说对于铌酸锂晶体的研究,我国研究人员起步早、成果多、水平高,至今还处于国际上的第一方阵。希望我国学者在交流时,要多引用中国人自己的工作,多宣传中国人的贡献,这一点对于我们增强自信,实现科技自强、自立很重要。

Q5最近有关薄膜晶体铌酸锂(TFLN)及其人工微结构研究引起了全世界的广泛关注,特别是它在集成光子学研究领域,请您解读一下为什么这么热?我们国家对铌酸锂晶体的生长和研究实力不弱,这个领域的发展给我们带来什么样的启发?

A5铌酸锂晶体性能丰富、可掺杂调控、能制备大尺寸高质量单晶体,而且资源丰富,这些突出的综合优势使其具备了作为集成光子学基片的条件。当然其他材料的集成光子学发展也很快,比如硅基光子学,但是硅材料没有三阶张量,而压电系数、电光系数和非线性系数都是三阶张量,铌酸锂是铁电晶体,有三阶物性张量,因而有压电、电光、二阶非线性等特性,这是铌酸锂比硅更有优势的地方。同时铌酸锂晶体还可以通过多种方法实现畴结构调控、组分调控、掺杂元素和掺杂量调控,材料性能可调控、可裁剪的空间很大,这对于集成光子学都非常重要。

对于光电子器件来说,薄膜铌酸锂损耗低,容易电光调制,尤其采用铌酸锂单晶薄膜后可以实现小尺寸和高度集成化,性能也相对原来的体块单晶大幅提高,这是很吸引人的。20172018年哈佛大学团队证实了铌酸锂晶体薄膜低的传输损耗和高的电光调制速率以及与CMOS工艺的兼容性,产生较大影响,他们甚至还声称它会取代晶体硅,光电子领域将进入“铌酸锂谷”时代,引起业界的高度关注。

此后很多基于铌酸锂的光电子器件也先后在LNOI上研制出来了,比如波导激光器、光放大器、光开关、光调制器等,在这方面我国科学家与研究人员又走到了国际最前沿。

Q6我国科技人员在铌酸锂单晶生长及其集成光子学应用的贡献确实令人振奋,那么未来铌酸锂晶体的研究及应用方面还存在什么突出问题?

A6铌酸锂晶体在全光芯片、光电子芯片、光量子芯片等方面都展示其优异的性能。但它与硅SOI芯片一样,要形成成熟的薄膜加工工艺还需要一个过程,主要的挑战有三个方面:

第一个是基于TFLNLNOI器件的刻蚀技术。铌酸锂化学、物理性质很稳定,又具有各向异性。为了实现高质量的器件制备,研究人员想了很多办法,包括反应离子刻蚀、离子束刻蚀、机械切割、化学机械抛光等。最近华东师范大学研究组报道用激光加化学抛光的办法将薄膜铌酸锂波导器件的损耗降至0.027 dB/cm,预期也能在大尺寸晶圆级加工中应用。但总的来讲这方面还需要进一步探索。

第二是如何进一步减少薄膜铌酸锂各类缺陷的问题。2003年我们在与中国科学院安徽光学精密机械研究所合作研究化学计量比铌酸锂中的铁电畴时,发现晶体极性面上有很多腐蚀坑,表明晶体中有反向畴、位错等缺陷的存在。最近有报道称根据金相显微镜观察,铌酸锂晶圆X切和Z切方向的缺陷密度大约是每平方毫米100个的量级,我们的观察也证实了这一点。缺陷引起的折射率不均匀性在大规模集成的时候会对光的相位产生大的影响,这需要引起重视。

第三是大尺寸单晶薄膜的制备。为了实现产业化应用,必须采用8英寸及8英寸以上直径的LNOI晶圆,大尺寸光学级铌酸锂晶体生长及高质量薄膜制备提上了议事日程。

另外,铌酸锂取代硅成为未来光子学主导的说法,业界也存在不同的看法,他们认可铌酸锂的优点,但不能因此否定SOI集成光子器件的地位。硅的大规模集成工艺技术非常成熟,硅本身也有很好的光学性能和自身的优势,不同材料各自可以在自己的优势领域发挥作用。更好的解决方案或许是通过异质集成方式,包括与III-V族材料一起,完成集成度更高、功能更强大的薄膜光子器件,在这方面铌酸锂晶体薄膜有很大的发展空间。

Q7您担任《人工晶体学报》编委会主编,近几年学报的质量发生了很大的变化。最后还是想请您给学报的编委、作者、读者叮嘱一下。

A7首先衷心感谢各位编委、青年编委对《人工晶体学报》发展作出的积极而又宝贵贡献!也要感谢学报承办单位中材人工晶体研究院有限公司的大力支持,感谢执行主编彭珍珍领导的学报编辑部的辛勤付出!

今年正逢《人工晶体学报》创刊五十周年,五十年来,《人工晶体学报》从一本企业内部情报刊物发展成为国内举足轻重的中文核心期刊,其中凝聚的是全行业科技工作者的心血。她就是我国人工晶体材料发展的一本活字典,记录了中国人工晶体的成长历程,传承了中国的晶体文化,也见证了一代代中国晶体人的辛勤努力和成就。尽管她的发展历程并不平坦,“道路且阻,行则将至”,她前进的步伐不会停止,她是我们全体行业从业人员的骄傲,我们每一位从业者有责任有义务办好这本期刊。

如今我们国家正在推动中国科技期刊繁荣发展,《人工晶体学报》迎来发展的大好时机。我想,作为国内晶体学领域唯一的一本专业学术期刊,其首要任务是“繁荣学术”,要为人工晶体材料的学术研究和人才培养做贡献;作为一本中文学术期刊,其又应该承担起搭建学术研究和支持产业发展的重任,要为国内晶体及相关材料产业管理人员、工程技术人员、技术工人了解晶体材料研究前沿发展和推动新功能晶体实现产业转化提供帮助。

《人工晶体学报》不断增长的下载量反映了学报在践行“把论文写在祖国大地上”的努力和成效!学报的发展依靠全体编委、青年编委,要依靠作者与读者的共同努力与奋斗,任重而道远。“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”。学报创刊五十年之际正值农历壬寅虎年,让我们团结一心向前看,继往开来再出发!


访谈编委:

    孙军(1976—),南开大学教授、博士生导师,入选教育部新世纪优秀人才支持计划、天津市131创新型人才培养工程。《人工晶体学报》编委。先后承担科技部、国家自然科学基金委、国家国防科工局、教育部等科技项目二十余项。曾获天津市科技进步一等奖(1)、天津市技术发明二等奖(3)、天津青年科技奖(1)、天津市国防科技突出贡献奖(1)等。


文章来源于人工晶体学报公众号


本文由南京大学-介电体超晶格实验室(http://slab.nju.edu.cn)原创编辑,转发请注明来源及版权归属。
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