由濟南大學劉宏教授、孫德輝教授率領的山東恒元半導體科技有限公司-濟南大學聯合科研團隊，經過兩年奮戰，率先研制出 12 英寸（直徑 300mm）的超大尺寸光學級鈮酸鋰晶體。這一重大突破——“ 12 英寸光學級鈮酸鋰晶體”成功入選2024年度山東省十大科技創新成果榜單。

“揭榜掛帥”：匯聚科研力量，開啟攻堅征程

回溯至三年前，濟南市推出 “揭榜掛帥”科技計劃，吹響了向光電子領域科研高峰沖鋒的號角。

濟南大學科研團隊以其深厚的科研積淀，在 8 英寸鈮酸鋰晶體科研成果基礎上深度發力，為12 英寸晶體研發注入強大動力。團隊大膽創新，在世界上首次提出研發 12 英寸鈮酸鋰晶體生長技術的構想，并成功入選“2022 年濟南市‘揭榜掛帥’重點項目。”

濟南大學科研團隊投身項目伊始，便憑借多年專注鈮酸鋰晶體研究積累的理論知識與實踐經驗，成為項目團隊中的 “智囊團”。從晶體生長的基礎理論研究，到實驗室初步方案設計，團隊成員充分發揮專業優勢，運用先進的晶體生長動力學、有限元仿真學等知識，為項目搭建起堅實的理論框架。他們深知，此次科研攻關不僅關乎企業的發展，更是我國光電子產業突破國際瓶頸、實現彎道超車的希望所在，承載著無數科研人的夢想與國家科技發展的重任。

披荊斬棘：兩年砥礪奮進，攻克重重難關

項目啟動后，科研團隊旋即踏入充滿荊棘的探索之路，迎接他們的是前所未有的重重困難，每一步都充滿艱辛與挑戰。

生產設備和熱場的設計堪稱首道 “天塹”。要實現 12 英寸鈮酸鋰晶體穩定生長，常規生長設備參數與熱場架構遠遠無法滿足需求。孫德輝教授和他的學生便整日泡在實驗室與車間，反復模擬、測試、優化。孫德輝憑借多年經驗，為生長設備關鍵部件改良提出諸多建設性意見。從設備整體架構設計，到每一個零部件選材、加工精度，都經過無數次斟酌調整，最終打造出能夠適合超大尺寸鈮酸鋰晶體的生長設備，為晶體生長奠定硬件基礎。

然而，晶體生長過程才是真正的 “硬骨頭”。鈮酸鋰晶體生長宛如一場微觀世界的精細舞蹈，溫度稍有偏差、熱場梯度微小波動，或生長速率控制不當，都會導致晶體出現瑕疵甚至生長失敗。最初幾個月，科研團隊遭遇數十次失敗，看著生長失敗的晶體，大家心情沉重。但孫教授總是給大家鼓舞士氣：“失敗是成功路上的墊腳石，這些晶體雖有缺陷，卻在‘告訴’我們問題所在，給我們指明了改進方向，當我們把該遇到的問題都見一遍，那時候我們就能摸到12英寸晶體了。”

在 12 寸晶體生長工作中，難題接踵而至。博士生韓文斌就遇到了棘手狀況，實驗中連續出現幾個異形晶體，形似飛碟狀。“這樣形狀的晶體對于后期的加工極為不利，當時我心里特別著急。” 韓文斌回憶道。他迅速將幾次實驗的參數拿給孫德輝老師討論，孫老師憑借深厚的專業知識，一針見血地指出關鍵：晶體尺寸太大，越接近邊緣線速度越快，晶體在邊緣結晶就成了奇特的 “飛碟” 模樣。與此同時，團隊做理論計算的李陳哲通過計算機模擬，得出相應理論結果，有力支撐了項目推進。隨后，他們依據分析果斷調整晶體生長參數，成功解決這一難題。

一波未平一波又起，晶體尺寸大、重量高又引發新危機。好不容易生長的晶體，在得到晶體前的降溫冷卻階段，籽晶斷裂墜落，開裂了，這讓大家心疼不已。韓文斌和團隊成員們沒有氣餒，立刻深入分析原因，發現是下種孔道溫度低，溫度下降太快導致應力不均所致。他們迅速采取措施，增加這個部位的保溫，精心改進降溫參數，經過多次嘗試，最終成功取出完整的 12 英寸晶體。

功夫不負有心人，這場艱苦卓絕的科研戰役后，最終突破 12 英寸鈮酸鋰晶體生長技術，實現從追隨者到開拓者的華麗轉身。

鈮酸鋰之光：開啟光子芯片新紀元

鈮酸鋰晶體，是材料科學領域的璀璨明珠，集壓電、電光、聲光及非線性光學等多種獨特效應于一身，當之無愧成為集成光電子技術核心基礎材料。現代研究更是揭開其驚人潛力：基于鈮酸鋰光學平臺開發的微波光子芯片，運算速度堪稱 “閃電”，比傳統電子處理器快 1000 倍，為解決當下電子芯片算力瓶頸提供革命性方案。

在后摩爾時代，光子芯片以速度快、能耗低、性能穩優勢，成為科學界和產業界共同矚目的焦點。而大尺寸鈮酸鋰晶體恰是光子芯片邁向產業化關鍵基石。孫德輝說：“晶體尺寸越大，單位芯片成本越低，這是光子芯片大規模普及的經濟學根基。” 濟南大學-山東恒元半導體科研團隊在此過程中持續發力，一方面深入研究優化 8英寸鈮酸鋰晶體產業化技術，提高良品率；另一方面，搶占下一代晶圓材料的技術高地，率先突破12 英寸鈮酸鋰晶體生長技術，為未來光子產業發展做好技術儲備。

產業新航標：濟南光電子產業乘風破浪

12 英寸鈮酸鋰晶體研制成功，猶如在濟南集成光電子產業大海上揚起巨型風帆，助力其加速遠航。這一成果不僅彰顯濟南在光電子關鍵材料制備技術上的世界領先地位，更如漣漪般向外擴散，帶動上下游產業協同發展。

現如今，鈮酸鋰產業已經成為山東省、濟南市重點發展的產業方向。2024年山東省科學技術廳批復了山東省鈮酸鋰光電集成功能材料重點實驗室的籌建方案，就是劉宏、孫德輝教授團隊依托濟南大學，聯合濟南市內上下游企業濟南晶正電子科技有限公司、山東恒元半導體科技有限公司共同籌建的，孫德輝教授年僅38歲就擔任了重點實驗室主任。

孫德輝表示，展望未來，科研團隊將扎根省重點實驗室，向著更高性能材料、更先進制備工藝進發，培養更多光電子領域專業人才，為產業持續注入新鮮血液。

（稿件來源：濟南大學 文/劉珂珂 劉哲)