铌酸锂晶体材料因其具有优异的电光、声光和非线性光学效应，随着材料新特性逐步发展，新应用推陈出新，被广泛认定是新一代信息产业关键技术的核心材料。

近日，我校刘宏、孙德辉教授团队利用提拉法成功生长出直径8英寸（200 mm）X-轴铌酸锂单晶，这是该团队继2021年突破声学芯片用Z轴、128Y等方向8英寸铌酸锂晶体生长技术后，铌酸锂晶体生长技术获得的又一次重要突破。

8英寸X-轴铌酸锂助力我国新一代信息技术

近年来，基于铌酸锂单晶薄膜的集成光电子器件可实现单通100 G以上超高带宽的高速光调制，已经成为国际上的研究热点和开发的重点领域。铌酸锂是整个光通信世界的守门人，铌酸锂对于光通信来说，相当于硅在半导体行业中的地位一样。国际科研界已经预判：现在已经进入“铌酸锂谷”的时代。然而，由于国际环境日益紧张，中国在铌酸锂产业上被卡脖子也变成了最严重的一环。

铌酸锂在业内被称之“光学硅”，说明它是非常重要的光学材料而且原材料来源丰富、价格较低，已经被广泛应用。那么工业上小尺寸的铌酸锂晶体已经较为成熟，为什么要探索大尺寸铌酸锂晶体生长，特别是8英寸X轴铌酸锂晶体生长技术呢？

铌酸锂晶体属于三方晶系，电光系数γ33是其较大的分量，利用X轴薄膜铌酸锂晶圆，采用波导共面电极，沿晶体Z轴施加电场以利用电光效应γ33分量；光电子器件集成依赖的微加工工艺主流产线为8英寸半导体产线，因此，8英寸X轴铌酸锂晶体作为新一代信息技术集成光电子芯片急需的基础材料备受重视。

但是受铌酸锂晶体结构和结晶习性的限制，X轴铌酸锂晶体的生长难度最大，LiNbO3晶体X轴与主轴呈90°夹角，生长界面上各晶面生长速率不同，是生长难度最大的轴向。尤其是随着晶体尺寸的增大，雷诺数Re超过临界值时，熔体中的自然对流向强迫对流过渡，引起界面的翻转，在晶体的生长中极易诱发双晶，极大增加了X轴铌酸锂晶体的生长难度。

目前，铌酸锂薄膜材料已经由济南晶正突破并掌握全球主要供应份额，下游铌酸锂薄膜基集成光电子芯片有光库科技、铌奥光电、安湃芯研等一批企业涌现。国内铌酸锂薄膜基光电子信息产业链正在迅猛发展。迫切需要打造铌酸锂薄膜基光电子信息产业链的最前端——超大尺寸X轴铌酸锂晶体产业。但是，国内市场上只有3寸、4寸X轴铌酸锂晶体产品，日本企业在去年宣布实现了8英寸X轴铌酸锂的小批量试制。所以8英寸X轴铌酸锂晶体成为了限制我国新一代信息技术发展的关键基础材料。

专注铌酸锂晶体研究，推动基础材料产业化

我校以孙德辉教授为带头人的“光电功能晶体团队”在国家级人才刘宏教授的指导下，自2017年开始对各种高品质、大尺寸铌酸锂晶体生长技术与器件展开研究，在国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究项目和学校人才基金支持下，先后突破了8英寸Z轴和128Y轴铌酸锂晶体生长技术，并实现千万级科技成果转化，与企业联合创建了山东恒元半导体科技有限公司，目标实现8英寸铌酸锂晶体产业化。

2021年4月，刘宏教授的朋友圈更新了这样一条信息：经过近一年的攻关，几十炉的摸索，德辉和他的小伙伴们终于掌握了完美的8英寸铌酸锂晶体生长技术。助力大尺寸铌酸锂薄膜制备、推动光集成光电集成器件的发展，实现我国新一代信息产业的全链条突破。路很长，但所有人都信心十足……这一信息引来了无数点赞。

之后他们的团队又开始了更深层次地探索，研究超大尺寸X轴铌酸锂晶体，经过了无数次的实验。在一个机缘巧合之下，孙德辉教授在一次改温场的过程中突发奇想：“这个温场调试了很久，要不再试一下大尺寸X轴。”这一试便试出了8英寸X轴的成功曙光。只有团队成员们知道这次“机缘巧合”的背后经历了多少次的失败。

此次8英寸X轴铌酸锂晶体生长技术的研发成功，标志着我国新一代信息技术关键基础材料的卡脖子技术实现了突破，未来团队将进一步提高8英寸X轴铌酸锂晶体生长质量，并尽快完成中试实验，为我国信息产业基础材料的发展提供坚实保障。

从实验室到企业生产线

在孙德辉教授的引导下，记者来到他们的实验室，各种实验设备映入眼帘，尤其是那两个正在工作的红彤彤的单晶提拉炉，旁边是各种实验数据的记录。团队成员王蒙告诉记者，在最初提拉过程中，要密切观察晶体生长变化丝毫不能懈怠，有时晚上也要守在炉子旁。记者带上两层特殊材料的眼镜往里望去，隐约看到一个轮廓在里面旋转，这个轮廓就是正在用提拉法生长的X轴铌酸锂晶体，它的生长周期大约是一周甚至更久。

铌酸锂单晶研发实验是一个无穷无尽优化的过程。目前团队已经将技术从实验室搬到了工厂，完成实验室技术到量产产品的过渡。

谈及该技术的转化过程，孙德辉教授说，工厂开始批量生产是个漫长的过程，包括数道准备程序：配料、混料、压块、烧料等多晶料准备工作，以及最关键一步“保温材料定型制作温场”。“那个时候我们充满干劲，我带着韩文斌、李陈哲两个学生，暑假期间，早上从学校出发去公司，晚上天黑才回来。在公司搭建生产线的过程中，一天启动一台新设备，完成一道工序，每天都充满了成就感。”孙教授看似轻松地说着。这里孙教授跟我们分享了一袋面粉的小故事，在测试压料机压制原料时，由于自动化的设备要反复测试压力、压缩比等参数，采用原材料既浪费又心疼。当我们在思考用什么样品替代原材料时，文斌说可以用面粉，就这样孙教授从家里带来了一袋面粉，来回调试了一上午，终于顺利地通过这一道程序。

经过20几天的准备，终于到了晶体生长的车间测试阶段。孙德辉教授对他们的8英寸铌酸锂晶体充满了信心，“一开始为了保证稳妥，可以先做小尺寸的晶体生长测试，但是我们就是奔着8英寸来的，在实验室可以，在工厂同样没问题，第一台晶体生长设备测试果断地选择了8英寸晶体”他自豪地说道。

科研的日子里，孙教授带领团队成员不是在实验室，就是在企业单位，大家几乎没有过完整的周末休息时间。团队成员像是和时间赛跑，经历了成百上千次的实验，从小试到中试，从分析到改进，一点点去做实验去不断突破优化。李陈哲是济南人，2022年春节期间自觉肩负起了实验室的工作，他说：“我家离实验室近，有这样的学习机会比较难得”身为南方人的刘首廷，因为假期回家，没泡实验室，感到不好意思，但是他也时常关注实验室，不忘学习。孙教授给团队每个学生都安排了不同的方向，本科哪个专业对口就往适合的方向引导，充分做到了因材施教。大家谈起导师仿佛统一了口径：“孙德辉老师是个认真的人，要求我们也是一丝不苟。孙老师不仅仅是我们的专业导师，更是人生的导师。”这让记者想到了孙德辉教授对刘宏教授的评价：“刘老师学识渊博、学术洞察力敏锐、工作作风务实，具有崇高的人格魅力，给我以极大的影响和教诲。他不仅是我的博士生导师，更是我人生的导师。”这就是团队的传承。

目前，恒元半导体科技有限公司已建成第一条预研生产线，现在具备生产3-8英寸、不同轴向的光学级铌酸锂晶体的技术能力。此外，公司有能力承担各种铌酸锂晶体定制，并已经走出了第一步。公司为特殊用户生长了掺铒同位素铌酸锂晶体、X轴高浓度掺铒铌酸锂晶体，晶体质量获得用户的一致好评。孙德辉教授表示，虽然在研发的过程中经历多次失败，也为此付出了很多心血，但是，当我们真正做到的时候就会发现我们能做好，因为我们在走一条正确的路。

对于未来，团队成员们都很有信心，光子集成芯片国产化的道路上竞争很激烈，但前途很光明，值得每个科研工作者去探索，脚步从未停止。也希望我们的铌酸锂晶体材料早日通过光纤传向全世界。

本报记者 刘哲