青島日?qǐng)?bào)社/觀海新聞12月12日訊 曾經(jīng)，國內(nèi)寬頻太赫茲技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)為了開展光學(xué)測試，從日本進(jìn)口一塊比指甲蓋還小的晶體，售價(jià)高達(dá)6萬元。如今，天津大學(xué)、山東大學(xué)、北京大學(xué)、中科院物理所、德國拜羅伊特大學(xué)、瑞士保羅·謝爾研究所等國內(nèi)外十余家高校院所使用的DSAT晶體變成了“青島造”——?dú)v經(jīng)10余年攻關(guān)，青島大學(xué)滕冰教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了DAST晶體材料的自主可控制備，生長出目前國內(nèi)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(tuán)隊(duì)主持的“高性能DAST太赫茲晶體和中遠(yuǎn)紅外晶體的材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)與核心器件研究”項(xiàng)目獲批國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助，在此支持下，該團(tuán)隊(duì)將在晶體尺寸、制備效率上尋求進(jìn)一步突破，為我國搶占寬頻太赫茲技術(shù)“賽道”提供關(guān)鍵材料支撐。
滕冰（左）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展實(shí)驗(yàn)。
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(duì)這些概念都不陌生，但對(duì)“太赫茲”卻知之甚少。實(shí)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(nèi)的電磁波。對(duì)科研人員來說，這個(gè)過渡區(qū)比較“難搞”，因?yàn)樗谖锢韺W(xué)上處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)，無論是用光學(xué)理論來研究，還是用電子學(xué)方法來處理，都達(dá)到了一種“極限”。因此上世紀(jì)90年代以前，這個(gè)過渡區(qū)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(fā)現(xiàn)這種“難搞”的電磁波有許多獨(dú)特的優(yōu)越性。例如與X光相比，太赫茲的穿透能力極強(qiáng)，但光子能量很低，不會(huì)破壞生物組織，用于醫(yī)學(xué)診療或人體安檢會(huì)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?qū)⒊蔀?G通信的基礎(chǔ)；每種物質(zhì)對(duì)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(zhì)，而太赫茲對(duì)有機(jī)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(yī)學(xué)、安全檢查、通信技術(shù)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測、航天國防等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，美歐日印等國家和地區(qū)爭相加強(qiáng)對(duì)太赫茲技術(shù)的研究，日本甚至將太赫茲技術(shù)列為“國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。中國也于2005年專門召開了“香山科技會(huì)議”，研討和規(guī)劃我國太赫茲技術(shù)的發(fā)展。
盡管太赫茲技術(shù)前景廣闊，但“巧婦難為無米之炊”，如何產(chǎn)生太赫茲波？這是制約太赫茲技術(shù)應(yīng)用的首要難題。青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院院長、教授滕冰告訴記者，當(dāng)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(guī)的太赫茲光譜儀，也多是用電子學(xué)方法研制的，其產(chǎn)生的太赫茲波是窄頻的，頻率大約在2-3太赫茲，應(yīng)用范圍很受限。舉例來說，假設(shè)某種毒品物質(zhì)在0.2太赫茲、1太赫茲和5太赫茲的波譜上都有較強(qiáng)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(chǎn)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(zhǔn)。就目前來看，能夠產(chǎn)生最寬頻率跨度太赫茲波的材料就是有機(jī)DAST晶體，但與此同時(shí)，這種晶體的制備也非常復(fù)雜和困難。
敢啃“硬骨頭”的滕冰團(tuán)隊(duì)自2008年起，向著DAST太赫茲晶體發(fā)起攻關(guān)。
自主造“米”自主造“鍋”
DAST晶體的制備有多難？就好比一個(gè)人要蒸米飯，不僅沒有米，也沒有鍋，一切都要從“零”開始創(chuàng)造。僅是攻克晶體原料的合成和提純難題，團(tuán)隊(duì)就耗費(fèi)了將近4年的時(shí)間；研發(fā)晶體生長設(shè)備，又花費(fèi)了3年；摸索晶體生長，再歷時(shí)3年。
“最初我們花1500元從國外買了5g生長晶體的原料，在當(dāng)時(shí)可以說是‘價(jià)比黃金’，但是緊接著國外就對(duì)我們國家禁運(yùn)了，連原料都沒處找。”滕冰回憶說。為了攻關(guān)原料合成難題，團(tuán)隊(duì)先采用了三步合成法，但是這種方法產(chǎn)生的副反應(yīng)非常多，合成的DAST原料純度只有20%-30%。后來團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)方法，用兩步法解決了合成問題。這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。晶體的生長對(duì)原料品質(zhì)要求極高，最好達(dá)到99.99%的純度，團(tuán)隊(duì)又反復(fù)進(jìn)行提純實(shí)驗(yàn)，最終攻克了提純工藝難題。
接下來就是造“鍋”。當(dāng)時(shí)沒有現(xiàn)成的適合DAST晶體生長的設(shè)備和工藝，只能自己研發(fā)。滕冰團(tuán)隊(duì)成員鐘德高告訴記者，有機(jī)晶體的穩(wěn)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(fā)，這些都對(duì)設(shè)備和工藝提出了很高的要求。經(jīng)過一次次失敗和改進(jìn)，團(tuán)隊(duì)最終研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DAST晶體生長設(shè)備。
“米”和“鍋”都有了，終于到了“蒸米飯”的環(huán)節(jié)。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(gè)個(gè)有規(guī)律地壘起來，一點(diǎn)都不能出錯(cuò)，這就要求對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行極為精細(xì)的控制。比如對(duì)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(jìn)度不足1mm。
最初，滕冰團(tuán)隊(duì)利用設(shè)備生長出來的晶體很小，長寬不足1cm，但這已經(jīng)是一個(gè)很大的突破，證實(shí)了原料的合成提純、晶體生長設(shè)備及工藝的研發(fā)都是成功的。團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果也隨即得到市場認(rèn)可，相關(guān)設(shè)備工藝實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。
其實(shí)，到了這個(gè)階段，成果有了、論文發(fā)過了、成果也轉(zhuǎn)化了，在某種程度上來說已經(jīng)“功成名就”了，國內(nèi)不少開展同類研究的高校和院所往往就此轉(zhuǎn)向新的研究領(lǐng)域。但是滕冰團(tuán)隊(duì)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(xù)向更高峰攀登。正是靠著這種堅(jiān)持，團(tuán)隊(duì)制備出了25mm×22mm的國內(nèi)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(tuán)隊(duì)的技術(shù)優(yōu)勢十分突出，所制備的DAST晶體成為國內(nèi)外十幾家高校和研發(fā)機(jī)構(gòu)的首選。
向著新的1mm不斷攀登
在太赫茲領(lǐng)域的研究，我國并不是起步最早的，但經(jīng)過十幾年的攻關(guān)，我國的太赫茲技術(shù)在國際上整體處于前列。
不過，滕冰告訴記者，對(duì)于太赫茲技術(shù)的研究，各個(gè)國家都處在探索階段，從科研實(shí)驗(yàn)到市場應(yīng)用，還有很長的路要走。例如瑞士彩虹光電公司已經(jīng)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(gòu)建太赫茲數(shù)據(jù)庫，繪制不同物質(zhì)的太赫茲吸收峰“指紋圖譜”，也是為了發(fā)掘和開拓太赫茲技術(shù)的應(yīng)用場景。
滕冰說，此次團(tuán)隊(duì)主持的“高性能DAST太赫茲晶體和中遠(yuǎn)紅外晶體的材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)與核心器件研究”項(xiàng)目獲批國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助，代表了國家對(duì)該領(lǐng)域研究的重視。包括科研工作在內(nèi)，很多事情都是越到頂端越難進(jìn)步，而滕冰團(tuán)隊(duì)就是要在項(xiàng)目資助下，向著新的“1mm突破”繼續(xù)攻關(guān)。下一步，團(tuán)隊(duì)將在晶體尺寸和品質(zhì)、工藝控制、制備效率等方面尋求進(jìn)一步突破，為我國搶占寬頻太赫茲技術(shù)“賽道”提供關(guān)鍵材料支撐和更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障。（青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?王沐源）
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