逆境中長出的“中國牌”晶體_風聞

來源：中國科學報

2009年2月，國際期刊《自然》發表題為《中國晶體——藏匿的珍寶》的採訪調研文章，認為中國禁運氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF），將對美國功能晶體相關領域的研究和發展產生嚴重影響，並斷言“其他國家在晶體生長方面的研究，還無法縮小與中國的差距”。

該文的緣起是中國2007年正式宣佈停止對外提供KBBF，美國人不惜重金請求購買或邀請相關中國專家去美國工作，都被嚴詞拒絕。中國科學家用國際領先的自主創新成果在高技術領域對美國説“不”。

從20世紀60年代開啓理論研究，到80年代研製出低温相偏硼酸鋇晶體（BBO）、三硼酸鋰晶體（LBO），再到90年代研製出KBBF，中國科學院福建物質結構研究所（以下簡稱福建物構所）等單位的科學家，打破了中國在晶體生長領域仿製、跟跑的局面，讓“中國牌”晶體閃耀世界。

幾十年過去了，“中國牌”晶體這個“老字號”更顯創新活力。很難想象，當年研發“中國牌”晶體的科學家們經歷了怎樣的奮鬥歷程。

不跟在外國人後面走

材料是人類社會進步的里程碑。作為一類重要材料，晶體指能自發生長成規則幾何多面體形態的物體。隨着科技進步和經濟發展，人工功能晶體已成為激光設備等不可或缺的基礎材料。

激光技術是20世紀“四大科技發明”之一。作為激光設備的上游關鍵部件，非線性光學晶體可以將某一頻率的激光轉換成另一頻率的激光。

20世紀60年代初，國外已發現一些非線性光學晶體材料，而中國尚未研發出自己的晶體。整體看，國際上非線性光學晶體研發都相對滯後，導致激光器進一步應用乏力。

功能晶體乃至所有功能材料的性能，都取決於其組成和結構，而這需要專業人才深入研究。在那個年代，我國缺乏這方面的人才，誰來研發“中國的晶體”？

1945年，我國結構化學領域開拓者盧嘉錫留學歸國，組織隊伍開啓晶體材料研究，並在國內首次招收以結構化學專業為主的研究生。盧嘉錫1955年當選中國科學院化學學部委員，1981年至1987年任中國科學院院長。

在美國留學期間，盧嘉錫在美國國家科學院院士鮑林的指導下，利用X射線和電子衍射法技術分析研究晶體結構和分子結構；他所設計的盧氏圖表載入《國際X射線晶體學用表（第二卷）》，被國際化學界應用了幾十年。

國外晶體研究已開展數十年，我國如何趕超？基於對國際國內晶體研究的分析，盧嘉錫認為探索新晶體材料，不應受國外學術思想束縛，跟在外國人的後面走，而應在分析、總結國外已有工作基礎上走自主創新之路。

“打造科研平台很關鍵。”福建物構所所長曹榮介紹，1959年，中國科學院福建分院設立並籌建技術物理所、化學所等6個研究所和生物物理研究室。盧嘉錫一直構想建立現代化物質結構研究室，福建分院的設立讓他看到了希望。

1960年，盧嘉錫經過深思熟慮，向中國科學院和福建省委提出將福建分院籌建的“六所一室”整合，最終形成福建物構所，盧嘉錫為首任所長。自此，盧嘉錫帶領福建物構所的研究團隊開始研製非線性光學晶體。

盧嘉錫（左）指導福建物構所青年科技人員工作。

讓人匪夷所思的重大發現

當時，我國缺乏技術、沒有經驗和專業人才，只能從仿製起步。由於沒有理論指導，工作很快就遇到瓶頸。 

那時科研條件極為簡陋。建所之初，主體建築是一幢四方形平房，人員主要是復退軍人和大中專畢業生，辦公和儀器設備是從其他學校搬來的，吃飯就在臨時搭建的竹棚裏。

創辦初期的福建物構所。

即便如此，盧嘉錫還是憑藉研究積累，部署了結構化學、非線性光學晶體等研究方向，希望從結構化學角度探討晶體和分子結構、電子結構之間的關係。

構想有了，關鍵是靠大團隊聯合開展大攻關。為此，盧嘉錫想方設法從高校調來理論物理等專業的畢業生，陳創天（2003年當選中國科學院院士）就是其中之一。

那是1962年，陳創天25歲，剛從北京大學物理系畢業。到福建物構所沒幾天，盧嘉錫就找到他，語重心長地説：“研究所搞的是結構化學，你的研究重點要從理論物理向結構化學轉移。”

盧嘉錫給陳創天介紹了基本知識並列出參考書單，囑咐他“可邊工作邊學習，不懂可來問我，相互切磋”。此後3年，陳創天系統學習了結構化學知識，最終選擇非線性光學材料結構和性能之間關係為研究方向。

1976年，苦心鑽研10年後，陳創天提出陰離子基團理論，找到了非線性光學晶體材料宏觀效應與微觀結構間的關聯。次年，他被任命為非線性光學材料探索組組長。

據介紹，當時研究所幾乎一窮二白，一羣懷揣夢想的年輕人自己動手創造科研條件，如自行組裝激光器、測試設備等。1979年，研究組發現BBO是一種非常有希望的新型材料。3年後，他們終於生長出大塊BBO。

BBO晶體。

中國科學家以翔實的數據和無懈可擊的實驗證明了BBO是非中心對稱的晶體，在200納米至350納米波長範圍內，其透過率可達80%以上。

1986年，陳創天在美國參加一個國際激光與光電子會議，向全世界宣佈成功研製出BBO，引起轟動。業界讚譽這是中國人按照自己的科學思想創造出的首塊“中國牌”晶體。

吳以成（2005年當選中國工程院院士）正是那一年在福建物構所獲得博士學位。他回憶：“陳老師告訴我們，他發言結束後，參會的200多位科學家竟有一多半跟他出去向他進一步瞭解情況，導致會都沒法開了。”

福建物構所副所長、國家光電子晶體材料工程技術研究中心主任林文雄1988年被保送到福建物構所讀研究生。“教材都把BBO寫進去了。”林文雄説，BBO的面世讓全世界的科學家感到匪夷所思，他們感受到嚴峻挑戰，認為這樣的重大發現不該在中國誕生，而應在美國、日本或歐洲國家。

曹榮感慨，福建物構所取得這樣的成就，離不開國家的一貫支持，也得益於中國科學院面向世界科技前沿、面向國家重大需求進行的前瞻佈局和建制化研究。

福建物構所建所初期的結構化學研究隊伍。

在高技術領域對外國説“不”

正當外國學者為橫空出世的“中國牌”晶體感到震驚時，陳創天、吳以成等中國科學家又在1987年宣佈一項新的重磅成果——他們發現並生長出第二塊“中國牌”晶體LBO。

LBO晶體。

與BBO相比，LBO紫外截止波長移到150納米，是迄今為止實現高功率三倍頻輸出最好的非線性光學晶體。BBO、LBO分別被美國《激光電子學》雜誌評為1987年、1989年“十大尖端產品”。

“BBO和LBO的背後，光研究組就有多個，包括理論組、化學合成組、結構分析組、相圖研究組、晶體生長組等。大家互相協作、勁往一塊兒使，才有這樣的結果。”吳以成説。

山東大學教授王繼揚介紹，當時國內晶體研究界有“三駕馬車”，分別是福建物構所、山東大學和南京大學，它們在晶體生長、消除晶體疇等方面各有所長，非常團結又能創新，把晶體研究這個國際上本不受重視的領域變成各國爭相研究的焦點。“我國科學家有股迎難而上的拼勁，敢走新路、勇於自主探索。”

1988年，福建物構所成立成果轉化公司——福建福晶科技股份有限公司（以下簡稱福晶科技），開啓了BBO、LBO商業化之路。

“商業化後，外國就眼紅了。BBO面世時，中國的專利法還沒出台，但LBO研發出來時已有專利法，團隊有意識地申請專利將它保護起來。”吳以成説，美國最先坐不住，他們以專利無效為藉口和中國打官司，希望能取消中國的LBO晶體專利權。

“美國最終沒有憑藉蹩腳的理由得逞。”吳以成回憶，當時國際上關於LBO的研究成果都是中國科學家發表的，團隊把整個研究的詳細實驗記錄等收集起來應訴，最終打贏了官司。

這個案例再次印證了團隊協作的重要性。“那時候，團隊裏以林朝熙為代表的知識產權方面的專家就懂得申請專利，他們不是為了報獎，而是要把自主創新成果保護起來。”林文雄説，更關鍵的是，他們申請的不是晶體生長專利，而是器件專利，很好地避免了國外鑽空子侵權。

LBO面世前，美國等國家都在基於BBO等晶體開展多倍頻研究，中國科學家也在尋求新突破。

“我國雖已取得領先成果，但當時科研條件仍很落後。”吳以成舉例，LBO晶體生長是在坩堝中進行的，耐温1000攝氏度以上的鉑金是做坩堝的理想材料。當時鉑金比黃金還貴，一小塊就上千美元。“我們每次用完坩堝都要稱重，如有損耗須説明。然而落後的科研條件沒能阻止我們做出領先世界的重大成果。”

科研人員用提拉法培養晶體。

外國對中國科學家的態度，也隨着“中國牌”晶體的相繼面世，從傲慢轉向尊重。

吳以成回憶，陳創天講過這樣一件事。BBO面世前，有位中國學者在美國一家實驗室工作，有人不小心打碎了一塊杜邦公司生產的非線性光學晶體，中國學者想把碎片帶回國研究，但被實驗室負責人以保密為由拒絕。沒想到數年後，中國就製備出領先世界的BBO。

20世紀90年代，陳創天在日本訪問期間，日方曾為他升起中國國旗表示尊敬和歡迎。

研發出BBO、LBO後，陳創天團隊意識到，由於微觀結構條件限制，二者無法通過簡單倍頻技術產生深紫外光譜區的諧波光輸出。經過反覆計算和思考，陳創天等又踏上一條長達10多年的新型非線性光學晶體探索之路，研製出全球獨一無二的KBBF。

KBBF是目前唯一可直接倍頻產生深紫外激光的非線性光學晶體。當時國際激光界普遍認為，用固體激光器產生波長小於200納米的激光幾乎不可能，KBBF則使激光最短波長達到184.7納米，在深紫外激光領域大展身手。

KBBF獨特的薄片層狀生長習性，使其難以獲得實際應用。為此，陳創天聯合中國科學院院士蔣民華團隊、中國工程院院士許祖彥團隊等開展聯合攻關，攻克晶體生長難關，實現多種波長的深紫外激光有效輸出，保障了中國在深紫外固體激光方面的國際領先地位。

2007年，KBBF被禁止對外出口。中國科學家用國際領先的自主創新成果，在高技術領域對外國説“不”。

“老字號”煥發新活力

2000年，洪茂椿（2003年當選中國科學院院士）任福建物構所常務副所長，主持研究所工作。當時，中國科學院基於對知識創新與技術創新前沿的把握，批准福建物構所關於福晶科技改制的申請，做大做強“中國牌”晶體產業。洪茂椿面臨的第一個難題，就是讓“好酒”走出“深巷”。

“首先要聚人才。”洪茂椿表示，當時福建物構所建所成立已有40多年，老一輩科學家年紀大了，科學家梯隊出現了斷層。“當時所裏引進了一批人才，積極申請系列科研項目，包括多個上億元的大項目。”

洪茂椿強調，當時申請項目並非盲目擴充研究方向，而是更聚焦科技創新價值鏈，把知識創新、技術創新與產業創新鏈接起來，以國家重大需求推動福建物構所的科學研究。

2008年，福晶科技正式上市。幾年裏，洪茂椿經常白天忙完，晚上回所裏搞科研，企業管理經驗是現學現用。好在經過幾年努力，人才梯隊建起來了，晶體產業發展脈絡理順了。

這個團隊人才濟濟。中國科學院光電材料化學與物理重點實驗室主任吳少凡帶領團隊致力於激光與非線性光學晶體、閃爍晶體新型功能材料研究，成果已在國家重大工程中獲得應用。“90後”研究員羅敏已成長為課題組長，聚焦非線性光學晶體材料的設計、合成和生長，以學術骨幹身份參與國家重大項目和中國科學院戰略性先導科技專項等。

走進福晶科技的晶體熔鹽車間，工作人員正在一排排晶體生長監控器前觀察晶體生長爐的温度。“以前晶體生長都需要工作人員在坩堝旁守着，温度很高，夏天更受不了，現在定時觀察顯示器即可。”福晶科技董事長陳輝説。

如今的福晶科技已成為全球知名的LBO、BBO、磁光晶體等龍頭廠商，產品廣泛應用於激光、半導體等領域，2023年實現營業收入7.82億元。

“需求端推動供應，目前公司生產的我國原創晶體佔全球此類晶體生產總量的近五成，出口超過四成。”陳輝説，“國內晶體需求佔全球總需求的比例，從20世紀90年代初的不足5%到如今超過五成，説明我們積極應對了產業鏈轉移及國內需求增長等市場變化。”

晶體提拉生長車間。福建物構所供圖

今天，我國的晶體研究是否依然領先？曹榮表示，我國原創晶體在研製和應用上不斷取得新成果，始終領先國際。近年來，福建物構所又取得一系列引領國際的研究成果，使我國成為激光晶體強國。

“當前，我們正積極將人工智能技術應用到晶體設計和生長等環節。”曹榮表示，福建物構所將進一步面向世界科技前沿及國家重大需求，搶佔科技制高點，助推我國科技創新事業邁上新台階。

“縱觀我國晶體研究發展史，我感受最深的就是科研沒有捷徑，是靠一代又一代科學家一步步走出來的。”洪茂椿表示，跟在別人後面永遠不是創新。正是有了國家和中國科學院對晶體研究的持續大力支持，有了幾代科學家的團結互助、勠力創新，我國晶體研究才長盛不衰。