跨越毫米到厘米的飞跃

立夏时节的乌鲁木齐，绿树成荫，生机勃发。在中国科学院新疆理化技术研究所（简称“新疆理化所”）晶体材料研究中心内，实验室紧锁着大门，各类晶体静静地孕育成长。

不久前，新疆理化所首次合成的氟化硼酸铵（ABF）晶体，登上了国际权威学术期刊《自然》，使这个偏居大西北的研究机构站上了世界科技舞台。ABF晶体首次实现直接倍频真空紫外激光158.9纳米输出，刷新了这一领域最短输出波长的世界纪录。

近二十年来，新疆理化所光电功能晶体材料创新团队始终聚焦全球科技前沿，攻克一批又一批以ABF晶体为代表的新兴材料难关。

“研究新晶体就像挑战一座未被征服的高峰，只要认准目标，坚持不懈，终会到达峰顶。”所长潘世烈告诉《科技日报》记者，ABF晶体的问世只是起点，团队还将继续扎根新疆，执着于科学研究，将创新精神一代代传下。

追寻未知晶体材料

时间回到2007年初夏，时任美国西北大学博士后研究员的潘世烈，带着憧憬回国，在新疆理化所开启了创新事业。他心中有个明确目标——研发新一代深紫外非线性光学晶体。

如果说激光器是“超级手电筒”，那么非线性光学晶体就是其中那块“神奇镜片”，可以把普通激光转化为特殊波长的强力光束，为高端科研设备和精密激光制造带来新动力。

多年来，全球科学界一直致力于寻找兼具宽带隙、高非线性、高双折射、易于生长等多重优异性能的新型晶体材料，但始终难有突破。

几十年来，科研人员在无数材料中反复尝试，可是真正集所有优点于一身的材料始终没有面世。

“绝大部分晶体材料研究其实只实现了元素替换上的微调，难以取得本质性进展。”潘世烈和同事们意识到，只有打破原有思路，才能找到真正创新的材料。

面对元素周期表上上百种元素，到底该选哪一个才能实现突破？

潘世烈把元素周期表贴在团队每个人工位，经常集体“头脑风暴”，梳理可能蕴藏的“优势基因”。

一次偶然的灵感让潘世烈把注意力集中在元素周期表右上角的“氟”元素。

尽管氟在晶体领域鲜有应用，但潘世烈发现，氟原子有望在硼酸铵材料里发挥协调作用，实现性能的平衡提升。

有了氟参与的新思路，全队士气倍增。大家按照“氟化设计与性能调控”的设想，不断像搭积木一样精准调整原子结构。

新疆理化所研究员杨志华介绍，尽管方向已经明确，但还需要大量实验去验证。最初受限于计算能力，分析一个化合物效能要花上半年时间。

“虽然心急，但我们只能一步步仔细计算。”杨志华说。后来团队持续优化算法，计算时间大幅压缩，有时只需几小时，甚至几分钟就能完成分析。

在大量模拟和测试后，团队确认氟化硼酸铵晶体具备成为优秀非线性光学晶体的潜质。

让创新晶体“生长”出来

锁定材料方向后，新疆理化所团队迎来第二道难题——如何把理论中的晶体“长”出来。

2010年，无机化学专家张方方加入，负责具体的晶体合成工作。

没有现成参考，缺乏可借鉴工艺，团队只能从头摸索，包括如何设计和订制专用反应釜。

张方方告诉记者，ABF晶体的生长环境极其复杂，涉及气、液、固多相多组分，难度很大。

团队结合材料本身的特点，创新并优化出气相沉积法。相比传统的溶液法，它有效规避了高硼含量带来的黏稠结晶难题，无需极端真空或气体输送，只需依靠自身压力，就能创造独特的固——液——气三相体系。

摸透了材料特性后，真正的挑战是无数次的实验。每次将原材料放进反应釜，就像种下一个个希望，而开釜那刻的紧张常常化为遗憾，因为大部分时候得来的还是“失败品”。

“失败没关系，反复清洗设备、调整参数、继续实验是我们的常态。”张方方表示，有时关键实验在凌晨，他们也得通宵守着。

经过近十年、数不清的失败和尝试，2016年团队终于成功合成毫米级ABF晶体，让深紫外波长首次降到200纳米以下。

“十年磨一剑”，团队的脚步没有停下。

“晶体只有能做成器件，才算真正成功。”潘世烈鼓励大家再接再厉，借下一个十年实现从毫米到厘米的飞跃。

向应用转化不断迈进

让ABF晶体由毫米级变为厘米级，意味着又一轮从无到有的科技攻关。

“从溶液温度、降温速度到搅拌方式、种晶颗粒甚至溶剂纯度，任何一个细微参数都可能左右生长成败。”张方方谈道。有时辛苦几个月长出的晶体外观光滑透明，但冷却瞬间却会诞生裂纹，前功尽弃。

有时候看似完美的晶体，光学检测时暴露出隐蔽缺陷，导致折射率不匀、透光率差，只能舍弃。张方方说，这些年扔掉的“废晶体”已经装满了实验室里的大柜子。

为尽快实现突破，潘世烈走访了多家科研院所和企业，不断补充团队新鲜血液。

“我们经常几乎全天泡在实验室，通过观察窗实时监控晶体生长。”张方方笑称，“有时半夜睡不踏实，还得赶回实验室查看。”

无数实验本上记录的“失败”，成就了团队最详尽的经验库。

依靠长期积累的海量数据，不断优化工艺，把控优质晶体生长关键，团队终于克服了层状生长限制。2024年，单个ABF晶体尺寸跃升为厘米级，“大块头”难题被攻破。

随着大尺寸晶体的稳定获得，团队又攻克了专用器件加工工艺，实现了材料向实用化跨越。由于ABF晶体结构特殊，现有设备并不适用，一切只能自行设计。

通过系统试验优化流程，自主开发出全套适配ABF的器件制造工艺，最终实现从材料到实用器件的整体突破。

不久前，在新疆理化所的激光实验室里，ABF晶体器件迎来了重要测试。随着激光束穿过晶体，新的世界纪录诞生，实验室内迸发出激动的喝彩声。

“我们做到了，新晶体真的做成了！”二十载扎根西北，潘世烈和他的团队正式兑现了自己的誓言。

展望未来，潘世烈满怀信心：“我们会加快ABF晶体批量工程制备和激光集成的研发，继续攻克更短波长、更大能量、更高功率的激光输出难题，不断优化性能，为高端科研、先进制造等领域提供关键材料和元件！”