曾经，国内宽频太赫兹技术研究团队为了开展光学测试，从日本进口一块比指甲盖还小的晶体，售价高达6万元。如今，天津大学、山东大学、北京大学、中科院物理所、德国拜罗伊特大学、瑞士保罗·谢尔研究所等国内外十余家高校院所使用的DSAT晶体变成了“青岛造”——历经10余年攻关，青岛大学滕冰教授团队实现了DAST晶体材料的自主可控制备，生长出目前国内最大尺寸（25mm×22mm）DAST晶体，仅次于瑞士彩虹光电公司的28mm×28mm晶体。
近日，滕冰团队主持的“高性能DAST太赫兹晶体和中远红外晶体的材料设计、制备技术与核心器件研究”项目获批国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目资助，在此支持下，该团队将在晶体尺寸、制备效率上寻求进一步突破，为我国抢占宽频太赫兹技术“赛道”提供关键材料支撑。
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滕冰（左）带领团队开展实验。
攻向电磁波最后一片“处女地”
X光、红外光、微波、无线电波……人们对这些概念都不陌生，但对“太赫兹”却知之甚少。实际上，太赫兹的频率介于微波和红外光之间，泛指频率在0.1-10太赫兹波段内的电磁波。对科研人员来说，这个过渡区比较“难搞”，因为它在物理学上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也处于电子学向光子学的过渡区，无论是用光学理论来研究，还是用电子学方法来处理，都达到了一种“极限”。因此上世纪90年代以前，这个过渡区一度被人“遗忘”，被称为“太赫兹空白”，也被叫做电磁波的最后一片“处女地”。
但是，在随后的研究中，科研人员逐渐发现这种“难搞”的电磁波有许多独特的优越性。例如与X光相比，太赫兹的穿透能力极强，但光子能量很低，不会破坏生物组织，用于医学诊疗或人体安检会更加安全；与微波相比，太赫兹的波长更短、带宽更宽、传输速度更快，或将成为6G通信的基础；每种物质对电磁波的波谱有特定的吸收峰，因此不同波段的电磁波可用于探测不同物质，而太赫兹对有机大分子的探测特别敏感，可用于人体病变组织、药品、毒品、文物、航天涂层材料等的检测。正是由于太赫兹在生物医学、安全检查、通信技术、天文学、大气与环境监测、航天国防等领域有着巨大的应用前景，美欧日印等国家和地区争相加强对太赫兹技术的研究，日本甚至将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。中国也于2005年专门召开了“香山科技会议”，研讨和规划我国太赫兹技术的发展。
尽管太赫兹技术前景广阔，但“巧妇难为无米之炊”，如何产生太赫兹波？这是制约太赫兹技术应用的首要难题。青岛大学物理科学学院院长、教授滕冰告诉记者，当前市面上虽然有很多所谓的太赫兹能量石、太赫兹手链、太赫兹理疗仪，但是噱头居多，即便是正规的太赫兹光谱仪，也多是用电子学方法研制的，其产生的太赫兹波是窄频的，频率大约在2-3太赫兹，应用范围很受限。举例来说，假设某种毒品物质在0.2太赫兹、1太赫兹和5太赫兹的波谱上都有较强的吸收峰，那么这种窄频的太赫兹光谱仪就很难探测到毒品。也就是说，光谱仪所产生的太赫兹波的频率跨度越宽，找到的吸收峰越多，其探测和鉴别功能才越加精准。就目前来看，能够产生最宽频率跨度太赫兹波的材料就是有机DAST晶体，但与此同时，这种晶体的制备也非常复杂和困难。
敢啃“硬骨头”的滕冰团队自2008年起，向着DAST太赫兹晶体发起攻关。
自主造“米”自主造“锅”
DAST晶体的制备有多难？就好比一个人要蒸米饭，不仅没有米，也没有锅，一切都要从“零”开始创造。仅是攻克晶体原料的合成和提纯难题，团队就耗费了将近4年的时间；研发晶体生长设备，又花费了3年；摸索晶体生长，再历时3年。
“最初我们花1500元从国外买了5g生长晶体的原料，在当时可以说是‘价比黄金’，但是紧接着国外就对我们国家禁运了，连原料都没处找。”滕冰回忆说。为了攻关原料合成难题，团队先采用了三步合成法，但是这种方法产生的副反应非常多，合成的DAST原料纯度只有20%-30%。后来团队不断改进方法，用两步法解决了合成问题。这还远远不够。晶体的生长对原料品质要求极高，最好达到99.99%的纯度，团队又反复进行提纯实验，最终攻克了提纯工艺难题。
接下来就是造“锅”。当时没有现成的适合DAST晶体生长的设备和工艺，只能自己研发。滕冰团队成员钟德高告诉记者，有机晶体的稳定性很差，生长晶体需要用到的甲醇不但有毒，还很容易挥发，这些都对设备和工艺提出了很高的要求。经过一次次失败和改进，团队最终研制出具有完全自主知识产权的DAST晶体生长设备。
“米”和“锅”都有了，终于到了“蒸米饭”的环节。但是怎样“蒸”？这还要不断摸索。钟德高形容，生长晶体就如同垒墙，需要把原子像砖头一样一个个有规律地垒起来，一点都不能出错，这就要求对反应过程进行极为精细的控制。比如对于降温速度的控制，要做到每天精确降温不足0.1度。生长晶体的工期也很漫长，每天的生长进度不足1mm。
最初，滕冰团队利用设备生长出来的晶体很小，长宽不足1cm，但这已经是一个很大的突破，证实了原料的合成提纯、晶体生长设备及工艺的研发都是成功的。团队的研发成果也随即得到市场认可，相关设备工艺实现成果转化。
其实，到了这个阶段，成果有了、论文发过了、成果也转化了，在某种程度上来说已经“功成名就”了，国内不少开展同类研究的高校和院所往往就此转向新的研究领域。但是滕冰团队并没有停下脚步，他们看好太赫兹的市场前景，希望真正做出在市场上“有用”的东西，所以选择继续向更高峰攀登。正是靠着这种坚持，团队制备出了25mm×22mm的国内最大尺寸DAST晶体，在世界上仅次于瑞士彩虹光电公司的28mm×28mm晶体。不过，滕冰团队的技术优势十分突出，所制备的DAST晶体成为国内外十几家高校和研发机构的首选。
向着新的1mm不断攀登
在太赫兹领域的研究，我国并不是起步最早的，但经过十几年的攻关，我国的太赫兹技术在国际上整体处于前列。
不过，滕冰告诉记者，对于太赫兹技术的研究，各个国家都处在探索阶段，从科研实验到市场应用，还有很长的路要走。例如瑞士彩虹光电公司已经研制出了宽频太赫兹光谱仪，但主要也是供科研使用。再如日本多年来投入大量科研力量构建太赫兹数据库，绘制不同物质的太赫兹吸收峰“指纹图谱”，也是为了发掘和开拓太赫兹技术的应用场景。
滕冰说，此次团队主持的“高性能DAST太赫兹晶体和中远红外晶体的材料设计、制备技术与核心器件研究”项目获批国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目资助，代表了国家对该领域研究的重视。包括科研工作在内，很多事情都是越到顶端越难进步，而滕冰团队就是要在项目资助下，向着新的“1mm突破”继续攻关。下一步，团队将在晶体尺寸和品质、工艺控制、制备效率等方面寻求进一步突破，为我国抢占宽频太赫兹技术“赛道”提供关键材料支撑和更加坚实的基础保障。（青岛日报/观海新闻记者 王沐源）
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