郭桐兴：各位观众大家上午好！欢迎大家来到院士访谈栏目，我们今天非常荣幸地请到了中国工程院院士，清华大学化学系教授，中材人工晶体研究院科技委主任，第十届全国政协委员，曾任中国光学学会副主任沈德忠院士。沈老师您好，欢迎您。

沈德忠：您好。谢谢。

郭桐兴：今天我们主要想请沈老师就人工晶体这个话题给我们做一个介绍。首先请沈老师给我们介绍一下什么是人工晶体。

沈德忠：人工晶体就是用人工的方法，合成出自然界已经有的晶体。比如石英，我们用人工的方法合成出来。同时人工还可以合成出自然界没有的晶体，比如磷酸氧钛钾，这些晶体在自然界是没有的，我们就可以用人工的方法合成出来。

郭桐兴：用人工方法合成自然界没有的晶体。

沈德忠：这个人工晶体包括多晶，也包括单晶，只要是对人工有用的都可以合成出来。

郭桐兴：人工晶体大概有多少种，又是怎么分类的呢？

沈德忠：人工晶体有很多，从不同角度可以有不同的分类方法，从光学角度来说可以分为十二种。第一种是半导体晶体，比如硅；第二种是分析性光学晶体，这个也有很多，磷酸锂、磷酸钾，还有铜酸锂和铜酸钡是咱们国家发现的。还有压电晶体，比如是石英，通过压力可以产生不均匀分布。还有紫光、深光、电光调制晶体，晶体的磁学性质、光学性质，可以对晶体进行调制，调制它的对象、强调等等。还有光体晶体，光路过的地方，晶体产生折射，产生变化，可以做一些记录等等。另外还有散热晶体，光打在上面去以后，可以散光，把一个高能离子变成光子，在原子能失踪、能量剂等方面很有用。在CT、B超方面都是用散光晶体来显示的。还有一些宝石晶体，在工程上有很大的用途。

郭桐兴：不仅仅是装饰。

沈德忠：现在的宝石基本上可以用人工合成，包括金刚石、蓝宝石、翠绿宝石等等都可以用人工方法来合成，比海底天然的要纯，但人们传统认识还是认为天然的是最好的。

郭桐兴：实际上算是一个误解，怎么理解这个？

沈德忠：光学方面的标准不适宜人们评判一个宝石的标准，广大人民群众还是觉得天然的最贵，人工合成的价格不是很贵，尽管它的品质会很高。同时，光纤通信的发展，生成晶体要的越来越多。大概就是这些种类。

郭桐兴：我们研究人工晶体，它究竟有什么用途呢？对我们人类的日常生活、工作有什么帮助？

沈德忠：人工晶体是一种电子材料，我们学过历史的都知道，人类社会往往是以材料来划分历史阶段的。比如在原始社会是石器时代，那时候的工具都是石头做的，后来发现了铁，包括犁、刀都可以用铁做，这个时候就是铁器时代了。人工晶体也起到了这样的作用，比如第一次世界大战的时候，因为有了石英这种压电晶体，使得战场的局面就不一样了，可以用石英调制电磁波，作为平衡剂等等。第二次世界大战有了计算机，这时候出了硅单晶，就可以做成很多电子器件。硅单晶的出现把人类带进了电子信息时代，它就是一种材料，但作出了很多高技术的器件，使咱们的社会、人们的生活产生很大变化。

郭桐兴：改变人类的生活和环境。是不是一些思想观念也发生了转变和根本的认识。

沈德忠：对。上个世纪五六十年代又出现了激光，出现了激光晶体，最早的激光晶体就是红宝石。激光出现以后，使人类进入了一个光子时代。因为光的速度比电子的速度要好很多倍，光是速度最快的，每秒30万公里，所以它的传播、距离都会很长。由于各种不同功能的晶体出现，使人类的阶段飞向另外一个阶段，更前进了一步，所以人工晶体是相当重要的。

郭桐兴：您可以给我们举几个例子，比如有的人工晶体能够提高光的频率。

沈德忠：各种各样的晶体是各有各的功能，比如激光晶体是产生激光的，这激光是一种单色性特别好，亮度特别高的新光源。

郭桐兴：怎么出呢？

沈德忠：它的原理还是爱因斯坦的电子要签理论，我们把一个激光棒做好了以后，两边都是膜，它的旁边或者是底部、两端，给它通上钢源，加入它激发的能量，棒子里面搀杂的离子和电子，有很多不同的激发太，从激发太要签回来就可以发出光。从高能太，到低能太的时候，能量发生变化，这个能量就转成光子，光子发出来以后就变成了激光。出了激光以后，还有一个激光枪，就是光子在里面来回振荡，使得它的基态能量不断向高能太去，这样不断产生很强的激光。然后把这个激光枪做的，一方反射，一方透过，这样就可以出来。

郭桐兴：激光一般用于什么呢？

沈德忠：激光用途很大，可以作为光通信用，也可以作为复印，包括彩色打印机，还有激光电视。

郭桐兴：激光电视跟我们现在的电视有区别吗？

沈德忠：当然了，激光可以把光聚到很细，因此分辨率很高，亮度很亮。激光电视现在还有很多具体问题没解决，主要是它的扫描现在还不是太成功，不是光源的问题，光源早就过关了。它对于整个显示系统将会带来很大的变革。还有海底通信，因为海底对于绿光的侵袭是最小的，通过这个晶体以后，就可以把它变成绿光，把频率增加一倍。

郭桐兴：原来是红外光，把原来红外光的频率提高了。

沈德忠：增加了一倍，波长就缩短一倍，除二的话，就是532纳米的波长，这就是绿光，很适合海底通信。

郭桐兴：通过人工晶体介质的发生变化，转换它的频率，提高它的能量。

沈德忠：提高光子的能量。

郭桐兴：然后达到一个非常好的通信效果。

沈德忠：就变成绿光了，对于海水来说，绿光吸收度是最小的，其他无线电波等很快就吸收了，也传不远。

郭桐兴：等于这个信息传输技术比其他手段效果要好。

沈德忠：绿光的用处有很多。

郭桐兴：可见人工晶体的用途非常广泛。

沈德忠：还有压电晶体，像石英，加上一点点压力以后，会出现变化。我们现在的手机加上一点电压以后，就会唱歌。现在我们手机之所以会唱歌，就是因为里面有压电晶体。

郭桐兴：因为有人工晶体，所以才会唱歌。可不可以理解为“会唱歌的人工晶体”。

沈德忠：对，石英就是“会唱歌的人工晶体”。当然现在还有比石英更好的人工晶体，但由于制作过程比较复杂，成本也比较高。石英现在的生产非常成熟了，所以手机里面都是石英的压电晶体。

郭桐兴：手机里面就是人工晶体。

沈德忠：对，手机的频率调控、滤波、振荡都是人工晶体的。

郭桐兴：您在88年的时候，获得了国家科技进步一等奖的铌酸钾，大概是一个什么晶体呢？

沈德忠：是压电晶体，也是光子电晶体，它有很多功能。铌酸钾最大的特点是，是对于毫瓦的激光，倍频要产生需要达到一个级别。一般情况下，余值比较高。铌酸钾是低功率方面最好的，温度变化不会影响它的亚电效应。同时机电偶合系数也很高，像石英机电偶合系数只是0.4到0.5，铌酸钾比它高很多，但现在数量很难找。

郭桐兴：机电偶合技术是什么意思？

沈德忠：就是压电晶体加上电压以后，电属于电功率，就是输入多少电进去，振动的能量是多少，这不是直接的关系，是一种表述方法。所以机电偶合系数越大，效率就越高了。

郭桐兴：铌酸钾是不是一个频率转换的介质。

沈德忠：对。美国在80年代的时候，还没有一个厘米见方的铌酸钾可以用，我们那个时候已经找到几十个毫米了，而且外国人还向我们买这个晶体。

郭桐兴：这方面，我们国家比其他国家要先进。

沈德忠：对。我们国家在人工晶体方面，在上个世纪是走在前面的，铌酸钾我们走的最好，KTP我们的方法最先进。美国的KTP是用水热法，是三千大气压，八百度，这个条件很难达到，所以晶体很小。我们用其他的方法，比他们大。后来他们做波导气垫的时候都向我们买这个波导片。但最近美国他们有超过我们的迹象，有一些人工晶体都是他们向找出来。比如透明的VIG陶瓷，日本人研究了三十多年。它可以做成大片，而且强度比晶体要好，光学质量和单晶差不多。美国人在06年的时候还做不出来这么大片的VIG陶瓷来，就向日本人买。买成以后，做大功率的激光器，做到六万瓦。两到七秒钟内，把原来25毫米的钢板打出一个大洞，所以这是相当惊人的。美国人准备再发展这样的激光器，用这个大片做成十万瓦的激光，就可以做飞机；我们国家也做出了VIG陶瓷，但只作出了十瓦，这方面我们落后日本十年。

郭桐兴：可见人工晶体的用途是非常广泛的，而且它的原理就是刚才您介绍的情况，通过人工晶体，可以把光源频率发生改变，红外光可以变成绿光。

沈德忠：1.64的红外光。波长是164纳米，我们知道光是一种电磁波，电磁波有一种波长。

郭桐兴：波长越短的，光子能量就越高。波长越长的，它的能量相对来说要小。通过您介绍的人工晶体，实际上就是提高光的频率、能量。

沈德忠：提高光子的能量。

郭桐兴：使红外光变成绿光，用于人们的日常生活和学习。可以看出人工晶体是非常重要的，是不是也可以代表一个国家的工业技术水平。

沈德忠：是。像人造激光石，它的量大，而且要强度高。比如说切割、大钻，几千米的钻头，都要用这个激光石。天然的太贵了，人造的很便宜。所以人工激光石的数量和质量是一个国家工业发展的标准。包括切割的片，这些都是激光石。

郭桐兴：我们平常见的玻璃刀。

沈德忠：现在人造激光石大小大概是一个毫米以下，也可以造大，但造大以后成本就高了，所以不用于普及了。

郭桐兴：请您给我们介绍一下，我们国家人工晶体研究的现状，与发达国家相比，我们处于一个什么样的状态？

沈德忠：上个世纪8、90年代，咱们国家的人工晶体是国际领先的。中科院研制了新的晶体，就是酸铜酸锂，还有偏铜酸钡。咱们国家发现了KTP技术，而且质量也在逐步提高。现在改进的熔剂法，长出的KTP晶体，在质量方面都比水发的不差。我们国家研制出了一种掺镁晶体。

郭桐兴：它有什么用途？

沈德忠：锂酸锂是一些原件的晶体，也可以做压电，它的产量很大，因此用的很多。

郭桐兴：我们日常生活当中主要用于哪些方面？

沈德忠：光通信，光缆里面。因此国外，像美国、英国、德国，都向我们买这个。

郭桐兴：我们在这方面是处于领先的位置。

沈德忠：对，我们国家钡晶体占据了国际市场的30％、40％，但近几年我们显得有一些落后了。比如VIG陶瓷，透明陶瓷，把陶瓷造成透明的，这是不容易的，我们落后于日本大概十年。另外还有一些新兴的半导体晶体，比如氮化镓、碳化铝，我们也落后于日本。还有一种新的晶体，就是硼酸B，这是德国人首先发现的。还有硼酸益钙，这些都是德国人首次发现的。在这个方面，就是不进则退。所以最近这段时间咱们国家的人工晶体是有一些落后的迹象。

郭桐兴：我看到有关“十一五”规划当中，就把六个产业作用咱们国家重要的扶持产业，其中之一就有激光，说明激光是咱们国家很重要的基础。应该说，有关部门应该加大这方面的支持力度。

沈德忠：对。比如“863”还在发指南，研究五千瓦的激光器。五千瓦实际上国内早就提出来了，不知道为什么要拟这个题目。像六万千瓦的激光器，我们国家恐怕只是军方来做了。像“863”这段时间的经费做这个都够呛。所以激光器的投资是很大的。

郭桐兴：投入是高的，但对长远发展是很重要的。比如用于潜艇的通信技术，这个东西肯定是非常关键的。我们现在说是和平崛起，但也有一种自我方位意识，为了保卫自己国土的安全，在军工产业上不能落后于其他国家。将来信息战，首先通信技术就要过关，如果通信技术不过关的话，保卫就很难得到保障。

沈德忠：通过这些年的发展，咱们国家在75、85、“863”、“自然科学基金、“973”等资金的支持下，咱们国家的人工晶体还是取得了一些发展。这些年，出现了有关生产人工晶体器件的公司。比如刚才说的硼酸锂等，卖出的数量占了世界的3、40％。同时还出现的一些公司，包括福建的一家公司，还有山东大学的一个公司，人工晶体研究院也有这样的公司，都是搞人工晶体器件的。当然这些公司的产值，受到激光器原件的限制，所以产值不是很高，但非常重要，因为它是各种激光器的基础。所以国家应该重视这样一种基础性的产业。

郭桐兴：人工晶体的研制和生产过程，您能给我们大概举几个例子吗？比如人工晶体，是通过什么方法、手段研制出来的？

沈德忠：不同晶体种类有不同的生长方式。像多晶硅、VIG等，是做一个炉子，然后加热，达到我们需要生长晶体的熔点，然后把料放在里面，在长硅当中是用氧化硅。硅的熔点大概是一千四百多度，把硅料放在里面去。硅的生长不困难，但做成集成电路的硅，纯度需要达到99.9999999％。

郭桐兴：要求的纯度相当高了。

沈德忠：对。所以长晶体不可能，但要达到这么高的程度，原料很困难。然后下一个子晶，就是从原来的单晶硅里面切一个小晶体出来，让这些晶体很有规律地排列起来。排列好了以后，子晶往上提。

郭桐兴：子晶是什么？

沈德忠：是原来单晶硅切成一条，插在里面去，因为它本身就是单晶硅，让周围结晶，整齐地排列起来，然后把子晶往上拉，因为它是在固体和液体之间长，晶体是固体，下面是液体。长大以后慢慢扩大，扩大以后，在固态和液态的晶体里面生长，这也比较好控制。逐渐往上拉，这个溶体就中间排到固体上面去，这样一根就长出来了。

现在这个晶体，据说可以长到20英寸。

郭桐兴：长完了以后是一个柱状的。

沈德忠：圆柱。

郭桐兴：你说直径是12英寸。

沈德忠：一英寸是25.4毫米，很大了。硅单晶和其他的晶体，包括VIG都是这样出来的。

郭桐兴：金刚石呢？

沈德忠：可以产生高压力的压积，这个压积分两面顶，四面顶、六面顶，开始的时候是两面顶的压积，上面这个压头是固定的，下面有一个机，把下面的压头顶上来。上面一顶的时候，就使得它收缩，产生四五万个大气压力，然后通电流，使里面石墨的发热，产生一千四五百度的温度，里面的石墨就变成金刚石，还有一部分的催化剂。

郭桐兴：金刚石用的材料就是石墨。

沈德忠：对，因为都是太原点击查看太原及更多城市天气预报子构成的。在石墨的作用下，变成一个金刚石结构。所以这种方法，使得它不可能长成很大的晶体，而且制作时间比较短，十几分钟就好了。

郭桐兴：但它的体积不是很大。

沈德忠：颗粒比较小，是毫米级以下的。

郭桐兴：我们说的克拉呢。

沈德忠：一克拉大概是1/5克。

郭桐兴：蓝宝石、红宝石都可以用类似的方法。

沈德忠：红宝石、蓝宝石有微压法，有一个柱状的炉子，子晶在下面。蓝宝石、红宝石都是氧化铝，蓝宝石就是不掺的。下面有一个料箱，装的是氧化铝粉料，料箱里面还有一个锤子，敲那个料箱，这样原料就往里掉。模子有两个进气口，一个是进氧气，一个是进氢气，里面的温度很大，然后就熔了，熔到子晶上面去，然后就长出来了。

郭桐兴：蓝宝石是什么料做的？

沈德忠：就是氧化铝。

郭桐兴：红宝石呢？

沈德忠：是掺了墨的氧化铝。这个方法是“维纳法”，是一个叫维纳的人发明的。蓝宝石、红宝石还可以用下降法，做成一个干锅，放在炉子里面，不断地往下降，可以把整个熔体都变成晶体，逐渐往下降，这就是干锅下降法。

郭桐兴：可以用不同的方法，产生结晶，出来各种人工晶体。

沈德忠：磷酸氢钾、磷酸氢二钾，就是用水熔热法，在水里面控制它的温度，也是下子晶，使子晶在里面结晶。上面温度高，下面温度低。温度高的地方，可以产生溶液。到温度低的时候，就是到子晶附近，变成了过饱和溶液，所以晶体就可以在子晶的地方长出来。这种方法可以作出很大的晶体。

还有其他方法，比如半导体晶体，像砷这些东西是一种薄膜的方法长出来的，这个设备很复杂，砷加铝做成气盐，通过金属的有机化合物变成单纯的气体，射出来以后，产生化学反应，然后沉积下来，这个方法很复杂，而且这个设备很贵，一台是上百万。

郭桐兴：我们人必不可少的食盐，是不是一个人工晶体？

沈德忠：是，食盐是海水里面的一种氯化钾、氯化钠的养分。把海水一晒，水分蒸发以后，氯化钠晶体就出来了。

郭桐兴：是不是属于人工晶体的范畴。

沈德忠：对。因为它主要是多晶，而且经济效益比较大，工业方面比较多。所以给它一个特殊的名字，用工业结晶的变化。像天津点击查看天津及更多城市天气预报大学有一位院士就做这方面的工作，也就是工业结晶，也是属于人工晶体研究的一个方面。这个教授叫王敬康，是一位女院士。

郭桐兴：人工晶体有很多范畴，包括咱们吃的盐，还有肥料，相当于化工厂也是用人工晶体的方法。

沈德忠：工业结晶。

郭桐兴：包括日常生活当中的手机、通信、光缆，以及用于工业、日常生活、军事的，范围非常宽泛了。

郭桐兴：最后您能不能给我们谈一谈，您对人工晶体研究的未来发展、趋势有什么看法和想法？

沈德忠：人工晶体是现在高科技里面不可或缺的一种材料，起到了非常关键的作用。当然它的经济效益不能像钢铁、水泥等材料一样，不是那么大批量。如果把钢铁、水泥比作米饭的话，人工晶体相对于食盐。没有它不行，必不可少，但它的量不会像钢铁是多少亿吨的级别。所以作为一个高科技繁荣的国家不能忽视人工晶体的发展，需要不断地支持。每种晶体有每种功能，但并不是说现在的人工晶体功能都到家了，非常完美了，不是的，我们还要不断探索新的人工晶体，这是我们首先要做的工作。

另外，对于已经成熟的晶体，我们要不断发信它的新用途。像水晶、KTP，都不断地发现了它的新用途。比如开始发现了压电效应，后来又发现了光学效应。光纤通信出现以后，又使这些成熟的晶体发挥它的新作用。在新的高科技领域，又产生了新的用途。

郭桐兴：您能不能就水晶的情况，大概介绍一下。

沈德忠：原来只知道水晶是一种压电晶体，在无线电通信方面，作为滤波器来用。到光通信以后，又发现了很多其他用途，可以用于手机等方面。因为它的生长方法比较成熟，量比较大，所以成本比较低，可以大量地应用。现在一些新型的晶体生长方法还不是太成熟，量还不是很大，所以要普及的话，还需要一定的阶段。

比如KTP，我们现在只知道用角度匹配的方法，当一个光射进晶体以后，在晶体的某一个角度射进去才有倍频效应，因为需要激波频率和倍极频率相等，是从某一个角度，当激光用倍频光速度相等的时候，才能够产生倍频效应。现在有另外一种方法，叫做准相位匹配。晶体通过一定的距离，这个距离叫做相当长度，到这个长度以后，使它里面的结构发生180度变化，在一定长度之内（相当长度），发生180度的转向，这样的话光在任何角度都可以，另外一些不匹配的晶体也可以进行匹配。这是现在最新的技术，就是怎样充分利用晶体的有效特性。所以在以后我们国家也要向这方面发展。我们在这方面有些落后，就吃亏了。人工晶体经济研究院，瑞典人、以色列到我们人工晶体研究院来，他们生产KTP，一块20×20×1毫米的晶体，是两千美元。他拿回去以后，做成10×1×2这样小块的KTP准相位器件。中国计量研究院就向瑞典人买，瑞典人不卖，说这是与国防有关的。以色列人卖了，他们跟我们买是400美元，就是20×20×1毫米。他卖给我们一块小的，是10毫米长，2毫米宽，1毫米厚，一片是2300美元。我们机片，他们拿回去可以做成十片，我们这个是他们的一半，有五个是好的，这样就是一万。可我们卖给他们是400美元，他们一片卖回来，就是我们卖给他们一片的23倍。

郭桐兴：为什么我们国家自己的产品不买呢？

沈德忠：我们现在还做不出准相位匹配的KTP晶体，因为这牵扯到光刻，还有复杂的技术。我们现在正在做，但还没有过关，已经见到绿光了，但转换率还不够高，还有一些问题没有解决。所以我们以后的人工晶体研究方向，要充分研究怎样利用它做成器件。

另外对于人工晶体的发展，还需要从理论上进一步深入地了解它的结构功能之间的完成，要定量地进行计算，现在有一些理论物理工作者正在进行分子设计。从分子角度去预测晶体的性能、计算它的一些可能的性能，计算我们怎样更好地利用这个晶体，等等。所以从工作方面、使用方面、理论方面，都要进行人工晶体的研究。这样就可以开拓我们人工晶体研究的新局面，使我们国家的人工晶体能够重新领先于世界。

郭桐兴：加大这方面的基础研究投入。通过您的介绍，人工晶体是非常重要的一个研究课题，有关方面应该加以足够的重视。为了保证中国曾经领先的位置，继续努力。我们也希望咱们人工晶体的研究，能够百尺竿头，更进一步。能够在世界相关领域，永远处于一个比较先进的位置。我们也祝愿研究人工晶体的科学家们，为祖国的将来作出更大的贡献，我们期待着。

沈德忠：谢谢。

郭桐兴：同时我们也非常感谢沈老师就人工晶体这个话题，给我们做了这么多精彩的讲话，谢谢您。同时也感谢大家收看我们院士防谈栏目。我们在下次院士防谈栏目里再见。谢谢！