-4新结构材料与智能化加工技术科技创新平台109(编辑修改稿)

-4新结构材料与智能化加工技术科技创新平台109(编辑修改稿)内容摘要：

影响的科学研究基地、高级专业人才培养基地、高技术成果转化辐射基地以及高水平国际交流与合作的开放基地。 通过加强各学科间的实质性的交叉与融合，进一步凝炼研究方向和研究重点。 本项目根据目前国内外发展动态、趋势和国家的需求进行了战略性的调整，在原有的研究基础上设有以下五个相对稳定的研究方向，并随着科学技术的发展，不断地对其进行补充和完善。 功能晶体材料与器件 该方 向研究工作包括激光晶体、非线性光学晶体、热释电晶体、压电晶体、激光自倍频晶体、电光晶体以及第三代宽禁带半导体晶体等多种新功能晶体材料的探索，以及新的晶体生长方法、制备技术的研究。 此外，该研究方向还包括功能晶体材料及其相关器件的光、电、声、磁、力、热等物理性能及其 交互效应、多功能复合效应及晶体性能总体优化的研究。 新功能晶体材料及其器件的探索研究是山东大学最具特色和活力的领域，也是 5 个研究方向的重中之重。 根据晶体工程学与分子工程学的思想，从研究晶体微观基元、结构和宏观性能之间的关系入手，进行晶体材料的分子设计 和材料设计，特别注重微观与宏观的结合、有机与无机的结合，同时根据功能性质的复合与交叉来设计、探索和制备新的功能晶体材料，逐步建立完整的新功能材料探索体系。 对于现存的具有实用意义的功能晶体，针对其不足之处，按照晶体化学的基本原理，采用基元取代、掺杂、结构与性能复合等方法予以优化；另一方面，按照晶体物理的基本原理设计和探索其新的应用，从而使其成为新的功能晶体。 本方向的研究目的在于制备和发展可实用的新功能晶体材料，优化现有功能晶体材料的性能，设计、开发、制备相关功能晶体器件。 近年来，新兴光电子高技术产业对晶体材 料的要求越来越高，单晶生 16 长在向更大、更完整和更难驾驭的方向发展，生长高质量的大单晶是晶体生长的高技术，因此，发展晶体材料制备技术特别是探索生长高质量大单晶的新技术也是本研究方向的一个重要内容。 本方向长期以来坚持以国家经济建设和国防建设的重大需求为目标，从事新功能晶体的设计、探索和制备技术研究 ,旨在提供具有实用价值的功能晶体材料、发展新的晶体生长方法和工艺以及解决关键性技术问题。 通过不断摸索晶体生长过程中的各种参数对晶体生长与晶体质量的影响，进一步优化现有的生长技术，并在此基础上积极探索晶体生长的新方法、新 技术。 此外，随着科学技术的发展，晶体材料也由传统的人工晶体向人工周期性微结构方向发展，实验室也将有选择地开拓光子晶体设计与制备方面的探索研究。 本方向 的目标是：完善惯性约束激光核聚变（ ICF）所急需的优质大尺寸 KDP、 DKDP 晶体制备的关键技术；开展以大尺寸 GGG 晶体为代表的高功率全固态激光器这一战略高科技产品所需的功能晶体的探索研究；进一步优化第三代宽禁带半导体大直径 SiC单晶的生长及晶片加工工艺研究，包括提高晶体质量、导电性控制、直径控制技术，晶体切割和晶片抛光工艺； GaN、 AlN、 ZnO 单晶的生长方法 和工艺探索，研究不同氮源（如氮气、氨气等）对 GaN 合成工艺的影响，大直径 AlN 单晶的制备工艺技术和基础理论研究，研究和开拓 ZnO 单晶的生长方法（如水热、提拉等）；开展化学计量比铌酸锂、新型激光晶体（包括掺 Yb 及其他稀土元素的新型激光晶体、激光拉曼晶体和自拉曼激光晶体）、紫外和红外非线性光学晶体、场致发光及其它复合晶体的研究；进一步探索具有强双光子吸收效应的新材料体系 ,发展基于强双光子吸收的光子晶体微制作技术，以期在太赫兹通讯和全光调制方面有所突破；在长期积累的有机 /无机复合功能晶体材料研究的基础上，重点探索 具有高迁移率、快速响应的新材料新器件；积极开展低对称性激光功能晶体生长及其应用的基础研究。 量子信息材料与器件 17 本方向将在低维尺度上设计和开发具有量子行为的新材料和新器件，研究具有关联效应的量子信息材料的电、磁、光等物理性质；开展材料的尺寸效应、维度效应、电荷掺杂效应、强关联效应以及相关的可调控机理等方面的基础研究，探索功能材料内的电荷、自旋以及轨道之间的相互作用和相互调控（特别是相位调控）关系，发展相关器件制备技术。 众所周知，当集成电路中 CMOS 结构的沟道的长度小到可以与电子的平均自由程相比拟时，量 子效应将显著增强，微电子中控制电子的经典规则不再适用，这就要求人们去研制全新的信息处理器件。 从目前国际上科技的发展趋势来看，量子信息材料最有希望成为未来信息存贮和信息处理的材料基础。 因此对基于强关联相互作用、自旋耦合作用、电子轨道调控、核自旋相互作用等量子效应的材料和器件的研究具有重要的战略意义。 近期开展的研究领域主要有： (1) 自旋电子（学）材料 ：通过对凝聚态材料中自旋极化载流子的动力学过程和自旋量子器件的应用的研究，制备出具有高自旋极化度、高居里温度，并具有长的自旋扩散长度的自旋电子材料，如能实现对 自旋的输运调控和探测，则进一步可以研制自旋极化场效应管、自旋发光二极管、自旋共振隧道器件、自旋滤波器等新型基于自旋特征的量子器件，甚至会推动自旋相关的量子信息和量子计算的发展。 (2) 分子电子（学）材料 ：分子固体中的共轭π电子，分子间范得瓦尔斯力，低维度和强各向异性等特征，以及拓扑性孤子、极化子、非公度电荷密度波、自旋密度波等种种非线性激发，使得有机固体表现出不同于无机固体的特异物理性质。 同时有机分子体系物理内容非常丰富，具有许多新奇的物理效应并有重要的应用前景。 项目实施以后将继续加强该领域的研究，开展分 子固体相关异质结构中的各类载流子量子相干输运和关联交叉调控机理的理论和实验研究。 (3) 强关联电子体系 ：重点开展多电子强关联体系中电子 电子、电子 声子、电荷 轨道、电荷 自旋、自旋 轨道等相互作用，以及它们对相 18 结构的形成和演化、电子态、自旋态、电荷态和轨道态的影响和作用机理研究；深入研究关联体系材料中掺杂对各种关联作用的影响规律和机理、相结构的演变、电子结构变化和量子态的演化；探索和研究外部调控场与各关联作用的耦合机理、对相结构变化和相关量子状态演变的调控作用或检测响应的机制和规律特征。 (4) 受限量 子系统 ：对纳米团簇、人造原子、人造微结构等小量子结构的可控制备、微结构、电子结构以及量子态的演化等进行深入研究，研究受限量子系统中电子输运的关联作用、相位匹配以及调控特性，以期得到相关量子器件的工作原理和特性。 本方向的建设目标是：通过对量子信息材料和器件的研究，组建具有国际竞争能力的研究队伍，建立国内一流的量子信息材料和器件的研究基地。 在纳米电子学、自旋电子学、单电子器件等量子调控方面取得创造性进展，为量子信息材料和器件的 进一步发展提供有意义的理论指导和有价值的材料基础。 全固态光源 本方向的研究重点 在于全固态激光和半导体发光，包括探索 RGB 全固态激光以及短波长全固态激光器的材料与技术、（调 Q）大功率全固态激光器、大功率泵浦用半导体激光器和高效率半导体发光材料与器件，为国防建设、固态照明与显示提供技术基础。 旨在充分发挥晶体材料国家重点实验室在泵浦源、激光工作物质和频率变换等晶体探索方面的综合集成优势，提高我国在全固态材料领域的国际影响和地位，打破国外在此领域的专利垄断，为发展具有中国自主知识产权的全固态产业提供技术储备和人才储备。 目前就全固态激光器而言正朝着短波长、高重复频率和大功率方向发展。 短波长激 光器的研制需要有与波长与之匹配的激光和非线性光学晶体，而大功率激光器需要大尺寸的激光、非线性光学和电光晶体，如 KDP、Nd:GGG、 Yb:YAG、 LGS 晶体等。 同时由于能量提高而引起的激光非线性效 19 应使得激光与物质的强相互作用成为新的研究内容，尚有待于探索和进一步深刻认识其物理内涵，为晶体物理及相关学科也提供了新的机遇。 在对晶体结构与性能研究的基础上，积极探索和开拓现有高质量人工晶体的新的物理性能，寻找新的应用领域，同时晶体物理的研究紧密配合晶体材料的生长，为优化和鉴定晶体质量提供依据。 大功率的半导体激光器 是全固态激光器中不可缺少的泵浦光源，具有寿命长，小型化、可靠性高等特点，基于 GaAs 衬底的半导体激光器的波长可以覆盖 650－ 980 纳米，处于激光晶体的吸收范围，该方面的研究紧密结合全固态激光器技术，为之提供新的泵浦光源。 利用我们在晶体生长方面的长期经验积累和技术优势，在半导体材料（包括体块和薄膜材料）的制备方面则采取跨越式发展的思路，提高我国在半导体材料领域的国际影响和地位，打破国外在此领域的专利垄断，为发展具有中国自主知识产权的半导体产业提供基础。 固体照明工程采用高效率的半导体发光二极管作为电光转换介质 ，产生所需的紫外或单色可见光，采用荧光粉等手段产生白光。 与微电子工业相比，其器件工艺相对简单，而材料则是其中的关键技术，为此我们选择半导体发光材料本方向的研究重点，争取早日突破材料制备的关键技术，为我国的光电子产业作出贡献。 研究工作紧紧围绕白光照明革命来展开，研究内容包括 :InGaAlN 体系高效发光薄膜材料的制备；研究制备高质量的宽禁带氧化物半导体材料及其异质结构，研究材料的结构、电学性质、发光性质和发光机制，研究掺杂对材料发光性质的影响以及对带隙宽度的调制作用。 在材料逐步完善的基础上，制备异质结光电器件 如蓝紫色发光管，紫外光探测器，蓝色激光器等；研究制备可用紫外光激发的高转换效率的红光、绿光、蓝光三基色荧光粉，进而合成白光。 主要包括稀土掺杂的碱土硅酸盐，碱土卤磷酸盐，碱土铝酸盐，碱土硼酸盐，碱土卤硅酸盐，碱土焦磷酸盐体系，采用高温固相反应法和溶胶凝胶法合成荧光粉。 20 本方向的发展目标是：在对晶体物理和激光非线性材料深入研究的基础上，突破短波长全固态激光器技术、大功率全固态激光器技术，制备出泵浦用大功率的半导体激光器，为固体照明提供可以使用的 InGaAlN 四元系的高效（蓝）紫外光源、蓝色半导体激光器、掌握宽带 隙半导体异质结的生长和 p型掺杂机理，制备出可以实用的高效荧光粉。 拟解决的关键包括：短波长非线性晶体材料的探索、大尺寸激光非线性晶体的质量检测，获得稳定高效荧光粉的合成工艺和方法等。 生物微纳材料与器件 本方向的研究将集中在生物矿化和生物材料、生物大分子结晶、生物材料自组装和集聚以及新型纳米材料的制备和应用等方面。 在微纳米尺度控制生物及生物相关材料的结构和功能，制备具有优异功能的新材料，发展与人体健康、药物治疗、环境保护、通信等相关器件。 通过自组装的微纳结构而构成的超分子功能材料在组织工程、药物传输、 医疗保健、食品、石油和化工等方面均有重要的应用。 我们的研究目的在于阐明超分子功能材料形成的机制，并通过微纳结构工程的方法设计全新功能材料。 蛋白质等生物大分子的结晶和聚集在生命科学的很多领域扮演着很重要的角色。 蛋白质的结构数据对于探索生物功能性、药物设计和疾病治疗等方面都是必需的。 此外，我们也将开展生物矿化方面的研究，探寻生物矿化微晶排列的有序性同坚硬组织的机械性能之间的关系，设计高性能生物功能材料。 生物技术与微纳米技术均为现代的重要科技。 随着时代的进步，近年来各科技领域的研究方向，不论是在材料本身或装置方 面，均朝着微纳米层次发展；而掌握了微纳米层次的技术之后，便能够对蛋白质、 DNA 等较大的复杂分子进行微观观察、测定与应用。 本方向将以山东省政府专项基金建设的生物微纳米功能材料中心的成立为契机，聚集山东大学晶体材料国家重点实验室和微生物国家重点实验室以及新加坡国立大学 (NUS)生物物理及微纳米结构实验室在生物技术和微纳米功能材料两大关键领域内 21 的一批优秀科学家 ,逐步将该中心建设成为国内外有重要影响的生物微纳研究基地，在重大基础研究和关键应用技术方面取得突破性进展，获得一批具有原始性创新和独立知识产权的优秀科研成果。 在本方向上我们已有相当的研究基础，新加坡刘向阳小组所研究的微重力对生物矿化作用和骨质疏松症的影响，取得了重要突破，这是迄今为止第一份从物理学的角度研究微重力诱导的骨质疏松症（‚紊乱使骨骼变坚韧‛）。 这个令人瞩目的进展被著名期刊《 NATURE》列于最新科技亮点；我们首次成功地建立了一个解析模型来描述晶体／液体界面结构和晶体生长动力学之间的相互关系。 我们研究了生物大分子软骨素对羟基磷灰石结晶的影响，证明了生物分子与羟基磷灰石之间的结构协同作用。 在这些重大进展基础上，我们在应用分子动力学模拟方法预测晶体生长动 力学和晶体形貌方面也取得了巨大成功。 本方向的研究目标是： (1) 在蛋白质结晶方面，侧重探讨蛋白质聚合以及结晶的机理及确定控制蛋白质结晶的新的判据和技术。 我们将根据表面／界面上的蛋白质自组装来探讨蛋白质的结晶，在水溶液表面蛋白质自组装动力学机理的基础上，研究表面团聚速度与扩散速度对蛋白质结晶的影响。 研究蛋白质－蛋白质，蛋白质－膜之间的相互作用，建立一个更加有效的判据，以区分团聚和结晶动力学，以便确定更高效和耐用的方法控制蛋白质的结晶。 (2) 开展蛋白质的组装和聚集及其对生物功能的影响的研究，以确定控制 DNA 晶体自组装的原理和机理，寻找构建具有不同结构和功能的自组装 DNA 晶体的新技术以及探索构建生物电子器件的新技术。 (3) 在生物矿化方面， 研究针状羟基磷灰石纳米晶有序结构在骨骼和牙齿中的排列形成机理，特别是生物分子和基质的相互作用。 依据生物矿物的有序组装和相应坚硬组织的力学性能，确定高度有序的羟基磷灰石的构造或其它生物矿物晶。