济南大学科研团队两年攻坚“铸晶记”

由济南大学教授刘宏、孙德辉率领的济南大学—山东恒元半导体科技有限公司联合科研团队，经过两年艰苦卓绝的奋战，率先研制出１２英寸（直径 ３００毫米）的超大尺寸光学级铌酸锂晶体。这一重大突破——“１２英寸光学级铌酸锂晶体”入列２０２４年度山东省十大科技创新成果榜单。

济南大学—山东恒元半导体科技有限公司联合科研团队成功研制全球首个“１２英寸光学级铌酸锂晶体”，标志着我国光子领域关键材料取得重大突破。相比于８英寸铌酸锂晶体，１２英寸晶体可使得光电芯片集成度增加２—３倍，器件生产成本降低５０％以上。未来３年，将实现经济效益超１亿元，有力保障光电子产业链的自主可控。

“揭榜挂帅”：汇聚科研力量，开启攻坚征程

回溯至３年前，济南市高瞻远瞩地推出“揭榜挂帅”科技计划，犹如吹响了向光电子领域科研高峰冲锋的号角。

济南大学科研团队以深厚的科研积淀，在 ８ 英寸铌酸锂晶体科研成果基础上深度发力，为 １２ 英寸晶体研发注入强大动力。团队大胆创新，在世界上首次提出研发 １２ 英寸铌酸锂晶体生长技术的构想，并入选 ２０２２ 年济南市“揭榜挂帅”重点项目。

济南大学科研团队自投身项目伊始，便凭借多年专注铌酸锂晶体研究积累的理论知识与实践经验，成为项目团队中的 “智囊团”。从晶体生长的基础理论研究，到实验室初步方案设计，团队成员充分发挥专业优势，运用先进的晶体生长动力学、有限元仿真学等知识，为项目搭建起坚实的理论框架。他们深知，此次科研攻关不仅关乎企业的发展，而且是我国光电子产业突破国际瓶颈、实现弯道超车的希望所在，承载着无数科研人的梦想与国家科技发展的重任。

披荆斩棘：两年砥砺奋进，攻克重重难关

项目启动后，科研团队旋即踏上充满荆棘的探索之路，迎接他们的是前所未有的重重困难，每一步都充满艰辛与挑战。

生产设备和热场的设计堪称首道 “天堑”。要想实现 １２ 英寸铌酸锂晶体稳定生长，常规生长设备参数与热场架构远远无法满足需求。孙德辉和他的学生便整日泡在实验室与车间里，反复模拟、测试、优化。孙德辉凭借多年经验，为生产设备关键部件改良提出诸多建设性意见。从设备整体架构设计，到每个零部件选材、加工精度，都经过无数次斟酌调整，最终打造出能够适合超大尺寸铌酸锂晶体的生长设备，为晶体生长奠定硬件基础。

然而，晶体生长过程才是真正的 “硬骨头”。铌酸锂晶体生长宛如一场微观世界的精细舞蹈，一旦温度稍有偏差，或热场梯度有微小波动，或生长速率控制不当，都会导致晶体出现瑕疵甚至生长失败。最初几个月，科研团队遭遇了数十次失败。看着生长失败的晶体，大家的心情都很沉重。但孙德辉总是给大家鼓舞士气：“失败是成功路上的垫脚石。这些晶体虽有缺陷，却告诉了我们问题所在，给我们指明了改进方向。等我们把该遇到的问题都遇到后，就能生长出１２英寸晶体了。”

在１２英寸晶体生长过程中，难题接踵而至。博士生韩文斌就遇到了棘手状况，实验中连续出现几个异形晶体，形似飞碟。“这种形状的晶体对后期的加工非常不利，当时，我心里特别着急。” 韩文斌回忆道。他迅速拿着几次实验的参数与孙德辉讨论。孙德辉凭借深厚的专业知识，一针见血地指出关键所在：晶体尺寸太大，越接近边缘线速度越快，晶体在边缘结晶就成了奇特的“飞碟”模样。与此同时，团队研究理论计算的学生李陈哲通过计算机模拟得出相应理论结果，有力支撑了项目推进。随后，他们依据分析果断调整晶体生长参数，成功解决了这一难题。

一波未平，一波又起。晶体尺寸大、重量大又引发新危机。好不容易生长的晶体，在得到晶体前的降温冷却阶段，籽晶断裂坠落，晶体开裂了，这让大家心疼不已。韩文斌等团队成员没有气馁，立刻深入分析原因，发现是下种孔道温度低，温度下降太快导致应力不均。他们迅速采取措施，加强这个部位的保温，精心改进降温参数。经过多次尝试，最终成功取出完整的 １２ 英寸晶体。

功夫不负有心人，经过这场艰苦卓绝的科研战役，团队最终突破 １２ 英寸铌酸锂晶体生长技术，实现从追随者到开拓者的华丽转身。

铌酸锂之光：开启光子芯片新纪元

铌酸锂晶体无疑是材料科学领域的璀璨明珠，集压电、电光、声光及非线性光学等多种独特效应于一身，当之无愧地成为集成光电子技术核心基础材料。现代研究更是揭开其惊人潜力：基于铌酸锂光学平台开发的微波光子芯片，运算速度堪称 “闪电”，比传统电子处理器快 １０００ 倍，为解决当下电子芯片算力瓶颈提供了革命性方案。

在后摩尔时代，光子芯片以速度快、能耗低、性能稳的优势，成为科学界和产业界共同瞩目的焦点。而大尺寸铌酸锂晶体恰是光子芯片迈向产业化的关键基石。孙德辉说：“晶体尺寸越大，单位芯片成本越低，这是光子芯片大规模普及的经济学根基。” 济南大学—山东恒元半导体科研团队在此过程中持续发力，一方面深入研究优化 ８英寸铌酸锂晶体产业化技术，提高良品率；另一方面，抢占下一代晶圆材料的技术高地，率先突破１２ 英寸铌酸锂晶体生长技术，为未来光子产业发展做好技术储备。

产业新航标：济南光电子产业乘风破浪

１２ 英寸铌酸锂晶体的成功研制，犹如在济南集成光电子产业大海上扬起巨型风帆，助力其加速远航。这一成果不仅彰显了济南在光电子关键材料制备技术上的世界领先地位，而且如涟漪般向外扩散，带动上下游产业协同发展。

如今，铌酸锂产业已经成为山东省、济南市重点发展的产业方向。２０２４年，山东省科技厅批复了山东省铌酸锂光电集成功能材料重点实验室的筹建方案。该方案就是刘宏、孙德辉团队依托济南大学，联合济南市内上下游企业济南晶正电子科技有限公司、山东恒元半导体科技有限公司共同筹建的。年仅３８岁的孙德辉担任重点实验室主任。

孙德辉表示：“展望未来，科研团队将扎根省重点实验室，向更高性能材料、更先进制备工艺进发，培养更多光电子领域专业人才，为产业持续发展注入新鲜血液。”

团队成员合影