中国科学院陈小龙：芯片、激光、量子计算机，都离不开它

人工晶体与我们的日常生活、社会的科技发展息息相关。从智能手机、笔记本电脑，到新能源汽车、光伏技术、医院的CT设备，还有未来的可控核聚变、量子计算，这些科学技术都离不开人工晶体。

首先，我们需要理解什么是晶体。科学定义上，晶体是由原子、离子或分子在空间按一定规律周期性重复排列构成的物质。晶体的核心特性有以下几点：

规则几何外形：受内部结构影响，通常呈现对称形态；

结构对称：具有平移、旋转、镜面等对称性；

各向异性：一般晶体在不同方向上的物理性质（如导热性、导电性、折射率）不同，　取决于晶体的对称性。

左：食盐（氯化钠，NaCl）晶体

右：食盐内部结构示意图，具有结构对称性（紫色代表钠离子，绿色代表氯离子）

除了晶体之外，固体还有非晶体。非晶体内部的原子、离子排布杂乱无序，玻璃就是日常生活中最常见的非晶材料。

晶体一般分为以下四类：

离子晶体：由阴、阳离子通过离子键结合而成。

原子晶体：原子通过共价键结合，形成空间网状结构。

分子晶体：由分子通过分子间作用力结合而成。

金属晶体：由金属原子实和自由电子通过金属键结合。

四种晶体的代表物

离子晶体：食盐（NaCl）　原子晶体：金刚石

分子晶体：干冰（CO₂）　金属晶体：金

自然界中存在大量天然晶体，比如食盐、钻石、水晶等。为什么人类需要制造人工晶体？因为我们希望晶体的纯度更高、缺陷更少，性能更好，从而满足不同场景下的应用需求。

科学定义上，人工晶体是指通过人工方法合成的具有特定物理化学性质和功能的晶体材料。对比天然晶体，人工晶体具有以下核心优势：

按需定制：可根据特定需求进行设计和制备，性能更具针对性；

纯度更高：人工合成环境可控，能有效减少杂质，达到极高纯度；

结构完美：晶体结构更完整、缺陷更少，展现出更优异的物理化学性能。

总结来说，人工晶体是定制化的高性能晶体材料，已经成为现代科技发展的重要基础，支撑着众多高新技术领域的进步。

左：雪花（天然晶体）　右：芯片（人工晶体）

下面两张图分别是天然水晶和人工水晶。在化学成分上，水晶也就是石英。虽然天然水晶的外表晶莹剔透，但它的内部往往不可避免地存在微量杂质和晶格缺陷。相比之下，人工水晶能够通过工业合成克服这些天然缺陷，具备极高的纯净度与均匀性，因此被广泛应用于电子表、计算机等设备的石英晶体振荡器中。

左：天然水晶　右：人工水晶

晶体的生长有以下三种主流方法：

熔体法：将原料加热熔化后，精确控制冷却凝固，使原子在籽晶上规则排列成单晶。

气相法：将原料气化后，在特定衬底上重新凝结或反应沉积成晶体。

溶液法：在液体（水溶液或高温助熔剂）中使溶质达到过饱和，像“析出盐粒”一样缓慢长出晶体，但应控制原子都生长在一块晶体上。

从左到右：熔体法、气相法、溶液法

人工晶体具备调控光的能力，这是它最重要的应用方向之一。

激光技术最早正是人类依托人工晶体发展而来的伟大发明。从原理来看，激光源自晶体中“活性”原子的受激辐射：原子中的电子吸收能量后，会从低能级跃迁至高能级；形成粒子数反转，在受激辐射作用下，电子再次回落至低能级时，多余的能量就会以光子形式释放，这些光子频率相同，相位一致，传播方向一致，进而形成激光。

激光晶体是产生激光的重要载体之一。激光晶体是一种可将外界能量通过光学谐振腔转化为高相干性、高平行性、高单色性激光的特殊晶体材料，主要由基质晶体和激活离子两部分组成。其中，常见的激活离子包括稀土离子（Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺等）和过渡族金属离子，它们在受到外界能量激发时容易发生受激辐射，从而产生激光。

激光晶体的部分种类（左）和示意图（右）

典型的激光晶体有红宝石，成分是掺杂铬离子（Cr^3＋）的刚玉（氧化铝，Al₂O₃），能够输出694.3nm的红色激光。1960年，科学家以红宝石为核心材料研制出世界上首台激光器，开启了人类的激光时代。

左：红宝石激光晶体　右：世界上第一台激光器

另一种典型的激光晶体是Nd：YAG晶体，成分是掺钕离子（Nd^3＋）的钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂），能够输出波长为1064nm的红外光。它的热稳定性与效率极高，广泛用于工业切割、医疗手术及军事测距。

左：Nd：YAG晶体　右：大功率激光切割机

未来，激光晶体有望进一步应用于空间通信与深空探测。随着相关技术从近地轨道验证向亿公里级深空、百Gbps超高速、多波段多功能方向全面突破，激光晶体将成为支撑未来太空基建与星际探索的关键“硬核”材料。

同时，激光晶体也将成为能源与国防安全的战略核心。作为驱动惯性约束核聚变（ICF）的核心材料，激光晶体能够为可控核聚变提供超强能量；在高能激光武器中，激光晶体的性能与转化效率更是直接决定了武器的输出威力和打击效能。

激光晶体有望成为空间通信与深空探测、能源与国防核心等领域的关键材料

激光晶体发出的通常是单一波长的激光，想要产生不同波长的激光，需要借助非线性光学晶体。

非线性光学晶体是光的“变频”魔术师，能够改变激光波长，核心原理是在高强度激光穿过晶体时，　晶体内电子云随入射光同频振动，输出同频光，此外还会形成频率加倍的输出光，　这个不同频率的光，波长也不同。

非线性光学晶体（左）和倍频效应（右）

倍频效应能将波长为1064nm的红外激光转变为波长为532nm的绿色激光

中国在非线性光学晶体领域处于世界领先地位，贡献了“中国智造”。BBO（偏硼酸钡，β－BaB₂O₄）和LBO（三硼酸锂，LiB₃O₅）晶体由中国科学家首先发现并研制成功，凭借极其优异的性能成为行业公认的明星材料。KBBF（氟代硼铍酸钾，KBe₂BO₃F₂）晶体是目前唯一可直接产生深紫外激光的关键材料，中国长期以来是全球唯一能生长高质量KBBF晶体的国家，彰显顶尖科研实力。

左：BBO和LBO晶体　右：KBBF晶体

非线性光学晶体在激光医疗、激光加工和激光显示等领域已有广泛应用。在激光医疗中，它可用于眼科激光矫正、皮肤科激光祛斑等高精度手术，实现微创治疗；在工业加工中，它能利用高能量激光进行精密切割、焊接和打标，深度融入汽车与电子工业；在激光显示方面，在舞台灯光、激光电视等设备中提供高亮度、高色彩饱和度的视觉体验。

未来，非线性光学晶体还将成为芯片光刻、精密制造等尖端领域的关键支撑。例如，在原子级精密加工中，它能实现航空发动机微孔和生物芯片的微纳制备。

此外，以二碘氧化铌（NbOI₂）晶体为代表的新型材料能够精准捕捉分子“指纹光谱”的中红外成像，对生物医学、环境监测及国防安全意义重大，为深层无损成像、有害气体监测及隐蔽目标识别提供关键支撑。

非线性光学晶体在芯片光刻与精密制造、红外成像等领域展现出重要的应用价值

电光晶体是一类基于电光效应工作的晶体。施加外部电压时，晶体内部的折射率会发生改变。通过改变电场强度，我们就能精准控制光在晶体中的相位、强度或偏振态，实现电对光的“指挥”。

典型的电光晶体

左：钽酸锂（LiTaO₃）　右：铌酸锂（LiNbO₃）

铌酸锂被誉为“光学硅”，是电光效应最优异的材料之一。

电光晶体是电光调制器的核心材料，在光纤通信中扮演着重要角色。通过快速开关电压，电光调制器将电信号（0／1）实时转换为光信号，实现高速数据传输。此外，在被称为“汽车之眼”的激光雷达中，电光晶体利用高频开关特性，助力系统快速扫描周围环境并精确测距，构建实时三维地图。

电光晶体广泛应用于调制器、激光雷达等电子器件中

未来，电光晶体有望成为量子通信中量子密钥分发（QKD）系统的核心器件，负责制备和操控单光子，用以构建绝对安全的通信链路。电光晶体还是大规模光学神经网络等新兴计算架构的重要支撑，其快速、低损耗的电光开关特性对于实现高效的光学计算至关重要。

电光晶体有望在量子通信、光学神经网络等前沿科技场景中发挥重要作用

闪烁晶体能将高能射线转化为可见光，广泛应用于医疗影像与治疗领域以及高能探测等领域。

左：BGO（锗酸铋，Bi4Ge3O12）晶体　右：LYSO（铈掺杂硅酸钇镥，（Lu，Y）2SiO5）晶体

在CT（计算机断层扫描）中，闪烁晶体接收穿透人体的X射线和伽马射线，并将其转化为光学信号。由于骨骼、软组织及器官对X射线的吸收程度不同，系统便能以此绘制出清晰的结构图像，帮助医生排查病变。

在PET（正电子发射断层扫描）中，¹⁸F－FDG示踪剂产生的正电子在遇到人体内的电子后发生湮灭，产生一对能量为511　keV的伽马射线。闪烁晶体随之将这两条射线转化为可见光信号，根据飞行时间，从而逆向构建出反映人体代谢异常部位的PET图像。

在硼中子俘获治疗中，¹⁰B靶向药精准聚集在癌细胞内，当外源中子轰击硼原子时，会引发核反应并释放出α粒子和锂核。射程极短的α粒子飞行距离很短，如同“精准导弹”，能从内部将癌细胞彻底消灭，不损伤好的细胞。闪烁晶体在这一过程中可监测辐射剂量，保障治疗的精准与安全。

左：CT（计算机断层扫描）　右：PET（正电子发射断层扫描）

半导体晶体是另一类重要的人工晶体，已经成为当下信息社会的基石。

半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。通过向纯半导体中掺入特定杂质，我们可以精确控制其导电类型（n型或p型），从而实现对导电能力的灵活调控。

根据材料的物理特性与应用场景，按照产业界常用的代际划分方式，目前的半导体晶体通常被划分为四代。这四代材料之间并非简单的更新替代关系，而是各自在不同的专业领域内发挥着不可或缺的作用。

第一代半导体

第一代半导体以硅（Si）和锗（Ge）为代表，是现代电子工业的绝对基石。这类材料的带隙较窄，制造工艺最成熟、成本极低。以硅为例，它的制造原料是极其普遍的沙子（二氧化硅，SiO₂）。从沙子中提取出硅单质后，再经过精密的晶体生长与切割工序，最终制成的单晶硅晶圆纯度能够达到小数点后11个9。第一代半导体如今在大规模集成电路（芯片）领域和光伏产业占据主导地位。

单晶硅晶圆

第二代半导体

第二代半导体以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，是无线通信和光电显示的“信号骨干”。第二代半导体属于直接带隙材料，具备发光特性，并且电子迁移率比硅高出5到6倍，能够显著提升通信与信号处理速度。砷化镓和磷化铟广泛应用于射频、光电子等领域，InP已经成为AI数据中心高速光模块的核心组件。

左：砷化镓　右：磷化铟

第三代半导体

第三代半导体以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，拥有宽禁带、高击穿电场、高热导率以及耐高温等优异特性。

碳化硅具有极佳的耐高压和散热表现，已经成为制造新能源汽车主驱逆变器等高功率器件的理想选择，在高速轨道交通、高压电网、5G基站等建设中扮演重要角色。

六方相碳化硅（4H－SiC）

中国科学院物理所团队潜心研制碳化硅二十余载，成功将碳化硅的尺寸从0.5厘米逐步拓展至12英寸（约30.5厘米）。每一次技术迭代，都凝聚着整个科研团队的专注与心血。

团队研究SiC晶体的历程

氮化镓具有宽禁带、电子迁移率高和频率特性好的优点，在高频场景下能量损耗小，工作效率显著优于传统硅基材料。在消费电子领域，氮化镓让充电器实现体积减半、功率翻倍，彻底告别了“大块头”，已经成为各类便携快充设备的标配；在通信领域，氮化镓已经成为射频功放的核心，不仅能够高效发射信号以满足5G基站高速率、广覆盖的需求，更广泛应用于雷达、卫星通信等高端场景。

第四代半导体

第四代半导体以氧化镓（Ga₂O₃）、金刚石为代表，具有超宽禁带，能在更极端的电压和温度环境下工作，代表了未来功率器件和半导体材料的发展方向。氧化镓具有极高的击穿电场，在电力电子转换领域具有巨大潜力，可显著降低能耗；金刚石拥有极高的热导率和载流子迁移率，是制作高频、高温、大功率器件的理想材料。

氧化镓（上）和金刚石（下）的晶体结构和实物图

我们可以对各个代际的半导体进行对比：

以硅为代表的第一代半导体像长跑选手，全能稳定，应用广泛；

以砷化镓为代表的第二代半导体像短跑选手，高频高速，信号处理；

以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体像障碍赛选手，耐高压高温，适合制作功率器件；

以氧化镓、金刚石为代表的第四代半导体像极限运动选手，用于制造性能极致的高压功率器件。

从基础稳健到极致突破，每一代半导体都在拓展应用的边界。从通信领域、消费电子、电动汽车，再到未来的太空领域、人工智能，我们生活的每一个角落，都有半导体晶体的身影。

在人工晶体中，还有一些晶体应用极为广泛，能够应用于精密测量、量子计算等多个领域。

金刚石是自然界最硬的物质，导热性极佳，透光范围广。它既是珍贵的珠宝首饰，也是工业利器，其高硬度特性广泛用于制造切割玻璃、金属的刀具和钻头。

左：钻石珠宝    右：单晶金刚石刀具

金刚石在未来可以用作半导体材料，具备优异的禁带宽度和最好的热导率，被誉为“终极半导体”。此外，金刚石在量子技术中具有重要应用。其中，基于金刚石氮－空位（NV）色心的量子体系是目前固态量子计算和量子精密测量的经典体系。NV色心具备易于初始化和读出、可操控性强、相干时间较长等优点，是量子比特的理想候选对象，在量子领域应用前景广阔。

左：固态金刚石的NV色心    右：金刚石磁力测量仪原型机

石英晶体是另一种功能多样的晶体。石英具有独特的压电效应，可制成振荡器，精准控制电子设备的频率和时间，是现代计时的核心。从日常佩戴的石英钟表，到电脑、手机中的时钟信号源，都依赖于石英晶体的精准控制。石英已经成为了支撑现代精密科技的基石。

未来应用方面，在量子计算领域，作为石英高温熔融后形成的非晶态材料，熔融石英因其极低的损耗和优异的性能，成为构建可扩展离子阱量子处理器的理想材料，用于囚禁单个离子作为量子比特；在核聚变领域，石英材料凭借耐高温和抗辐射特性，被用于制造核聚变装置中关键的光学窗口和诊断部件，是国家能源战略储备技术。

左：石英晶体　右：石英振荡器

人工晶体已成为现代社会的基石，而我国在该领域取得了举世瞩目的成就。磷酸二氢钾（KDP）和磷酸二氘钾（DKDP）晶体作为核心大口径激光晶体，有力支撑了国家重大工程；BBO、LBO、KBBF等晶体在深紫外激光领域长期领跑全球，被誉为“中国牌晶体”；在碳化硅的生产制造方面，我国的产业化已跃居世界首位；作为真空紫外非线性光学晶体的氟化硼酸铵（ABF）的研发进程在今年也实现了重大突破。人工晶体是链接未来技术的桥梁，中国必将在人工晶体领域续写新的辉煌。

中国科学院新疆理化技术研究所的研究团队成功研制出氟化硼酸铵晶体（ABF）

感谢大家！科学的世界充满奇妙，期待你们的探索！