青島日報社/觀海新聞12月12日訊 曾經，國內寬頻太赫茲技術研究團隊為了開展光學測試，從日本進口一塊比指甲蓋還小的晶體，售價高達6萬元。如今，天津大學、山東大學、北京大學、中科院物理所、德國拜羅伊特大學、瑞士保羅·謝爾研究所等國內外十余家高校院所使用的DSAT晶體變成了“青島造”——歷經10余年攻關，青島大學滕冰教授團隊實現了DAST晶體材料的自主可控制備，生長出目前國內最大尺寸（25mm×22mm）DAST晶體，僅次于瑞士彩虹光電公司的28mm×28mm晶體。
近日，滕冰團隊主持的“高性能DAST太赫茲晶體和中遠紅外晶體的材料設計、制備技術與核心器件研究”項目獲批國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點項目資助，在此支持下，該團隊將在晶體尺寸、制備效率上尋求進一步突破，為我國搶占寬頻太赫茲技術“賽道”提供關鍵材料支撐。
滕冰（左）帶領團隊開展實驗。
攻向電磁波最后一片“處女地”
X光、紅外光、微波、無線電波……人們對這些概念都不陌生，但對“太赫茲”卻知之甚少。實際上，太赫茲的頻率介于微波和紅外光之間，泛指頻率在0.1-10太赫茲波段內的電磁波。對科研人員來說，這個過渡區比較“難搞”，因為它在物理學上處于宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也處于電子學向光子學的過渡區，無論是用光學理論來研究，還是用電子學方法來處理，都達到了一種“極限”。因此上世紀90年代以前，這個過渡區一度被人“遺忘”，被稱為“太赫茲空白”，也被叫做電磁波的最后一片“處女地”。
但是，在隨后的研究中，科研人員逐漸發現這種“難搞”的電磁波有許多獨特的優越性。例如與X光相比，太赫茲的穿透能力極強，但光子能量很低，不會破壞生物組織，用于醫學診療或人體安檢會更加安全；與微波相比，太赫茲的波長更短、帶寬更寬、傳輸速度更快，或將成為6G通信的基礎；每種物質對電磁波的波譜有特定的吸收峰，因此不同波段的電磁波可用于探測不同物質，而太赫茲對有機大分子的探測特別敏感，可用于人體病變組織、藥品、毒品、文物、航天涂層材料等的檢測。正是由于太赫茲在生物醫學、安全檢查、通信技術、天文學、大氣與環境監測、航天國防等領域有著巨大的應用前景，美歐日印等國家和地區爭相加強對太赫茲技術的研究，日本甚至將太赫茲技術列為“國家支柱技術十大重點戰略目標”之首。中國也于2005年專門召開了“香山科技會議”，研討和規劃我國太赫茲技術的發展。
盡管太赫茲技術前景廣闊，但“巧婦難為無米之炊”，如何產生太赫茲波？這是制約太赫茲技術應用的首要難題。青島大學物理科學學院院長、教授滕冰告訴記者，當前市面上雖然有很多所謂的太赫茲能量石、太赫茲手鏈、太赫茲理療儀，但是噱頭居多，即便是正規的太赫茲光譜儀，也多是用電子學方法研制的，其產生的太赫茲波是窄頻的，頻率大約在2-3太赫茲，應用范圍很受限。舉例來說，假設某種毒品物質在0.2太赫茲、1太赫茲和5太赫茲的波譜上都有較強的吸收峰，那么這種窄頻的太赫茲光譜儀就很難探測到毒品。也就是說，光譜儀所產生的太赫茲波的頻率跨度越寬，找到的吸收峰越多，其探測和鑒別功能才越加精準。就目前來看，能夠產生最寬頻率跨度太赫茲波的材料就是有機DAST晶體，但與此同時，這種晶體的制備也非常復雜和困難。
敢啃“硬骨頭”的滕冰團隊自2008年起，向著DAST太赫茲晶體發起攻關。
自主造“米”自主造“鍋”
DAST晶體的制備有多難？就好比一個人要蒸米飯，不僅沒有米，也沒有鍋，一切都要從“零”開始創造。僅是攻克晶體原料的合成和提純難題，團隊就耗費了將近4年的時間；研發晶體生長設備，又花費了3年；摸索晶體生長，再歷時3年。
“最初我們花1500元從國外買了5g生長晶體的原料，在當時可以說是‘價比黃金’，但是緊接著國外就對我們國家禁運了，連原料都沒處找。”滕冰回憶說。為了攻關原料合成難題，團隊先采用了三步合成法，但是這種方法產生的副反應非常多，合成的DAST原料純度只有20%-30%。后來團隊不斷改進方法，用兩步法解決了合成問題。這還遠遠不夠。晶體的生長對原料品質要求極高，最好達到99.99%的純度，團隊又反復進行提純實驗，最終攻克了提純工藝難題。
接下來就是造“鍋”。當時沒有現成的適合DAST晶體生長的設備和工藝，只能自己研發。滕冰團隊成員鐘德高告訴記者，有機晶體的穩定性很差，生長晶體需要用到的甲醇不但有毒，還很容易揮發，這些都對設備和工藝提出了很高的要求。經過一次次失敗和改進，團隊最終研制出具有完全自主知識產權的DAST晶體生長設備。
“米”和“鍋”都有了，終于到了“蒸米飯”的環節。但是怎樣“蒸”？這還要不斷摸索。鐘德高形容，生長晶體就如同壘墻，需要把原子像磚頭一樣一個個有規律地壘起來，一點都不能出錯，這就要求對反應過程進行極為精細的控制。比如對于降溫速度的控制，要做到每天精確降溫不足0.1℃。生長晶體的工期也很漫長，每天的生長進度不足1mm。
最初，滕冰團隊利用設備生長出來的晶體很小，長寬不足1cm，但這已經是一個很大的突破，證實了原料的合成提純、晶體生長設備及工藝的研發都是成功的。團隊的研發成果也隨即得到市場認可，相關設備工藝實現成果轉化。
其實，到了這個階段，成果有了、論文發過了、成果也轉化了，在某種程度上來說已經“功成名就”了，國內不少開展同類研究的高校和院所往往就此轉向新的研究領域。但是滕冰團隊并沒有停下腳步，他們看好太赫茲的市場前景，希望真正做出在市場上“有用”的東西，所以選擇繼續向更高峰攀登。正是靠著這種堅持，團隊制備出了25mm×22mm的國內最大尺寸DAST晶體，在世界上僅次于瑞士彩虹光電公司的28mm×28mm晶體。不過，滕冰團隊的技術優勢十分突出，所制備的DAST晶體成為國內外十幾家高校和研發機構的首選。
向著新的1mm不斷攀登
在太赫茲領域的研究，我國并不是起步最早的，但經過十幾年的攻關，我國的太赫茲技術在國際上整體處于前列。
不過，滕冰告訴記者，對于太赫茲技術的研究，各個國家都處在探索階段，從科研實驗到市場應用，還有很長的路要走。例如瑞士彩虹光電公司已經研制出了寬頻太赫茲光譜儀，但主要也是供科研使用。再如日本多年來投入大量科研力量構建太赫茲數據庫，繪制不同物質的太赫茲吸收峰“指紋圖譜”，也是為了發掘和開拓太赫茲技術的應用場景。
滕冰說，此次團隊主持的“高性能DAST太赫茲晶體和中遠紅外晶體的材料設計、制備技術與核心器件研究”項目獲批國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點項目資助，代表了國家對該領域研究的重視。包括科研工作在內，很多事情都是越到頂端越難進步，而滕冰團隊就是要在項目資助下，向著新的“1mm突破”繼續攻關。下一步，團隊將在晶體尺寸和品質、工藝控制、制備效率等方面尋求進一步突破，為我國搶占寬頻太赫茲技術“賽道”提供關鍵材料支撐和更加堅實的基礎保障。（青島日報/觀海新聞記者 王沐源）
責任編輯：王逸群
