人类发展和生活品质不断提高的过程，决定于材料发展。材料研究的趋势则是从天然存在的材料发展到人工设计材料。

　　半导体材料是光电材料的一种，作为信息功能材料的重要部分，广泛应用于信息的产品、探测、传输、存储、显示和处理，推动了机器人、智能家居等一系列信息产业的发展。同时，新一代信息技术产业也在加快推进半导体材料的创新发展，包括汽车电子、消费电子、工业智能、物联网、智能医疗等产业对半导体材料制作成的处理器、存储器、传感器等都提出了新的需求。例如发展更高速、更低功耗和新型存储系数的存储器，传感器要做到“万物互联，无物不联”等。

　　山东大学教授王继阳曾担任山东硅酸盐学会名誉理事长、中国晶体学会前理事长，在新兴光电材料和深紫外的非线性晶体中取得了很多重要成果，达到国际领先水平，并且实现了产业化和工程应用。

　　他在第二十二届中国科协年会“先进材料现状与发展趋势研讨会”上表示：“我们希望在半导体材料上继续加强研究，尤其是在材料器件的基础研究实现全链条发展；加强创新，保持领先，做到功能晶体序构理论方面的先行者，优先完成新概念晶体设计制备和应用，争取做到在功能晶体材料上不受制于人，关键材料反制于他人。”

　　半导体材料：超越摩尔定律，

　　打破国际垄断，满足国内市场需求

　　截至目前，半导体材料发展共有三代：第一代半导体材料是硅材料，第二代半导体材料是以砷化镓为主的光电材料，第三代被称作宽晶带半导体材料。三代半导体材料各有特点，互相补充，而且发展齐头并进。2019年我国半导体材料的规模已经达到了4800亿美元，国家实施的“新基建”、5G技术等项目和新政策有效推动了半导体材料的发展。

　　在半导体材料中，目前使用最广泛的依然是硅材料。目前全球90%以上的芯片由半导体硅材料制备。2019年，全球硅材料出货面积达到118.1亿平方英寸，预计今年将达到120亿平方英寸以上，趋势为逐年增涨。

　　目前我国半导体材料占全球市场比例不足10%，特别是集成电路用的8~12英寸硅片自给率极低，12寸硅片几乎全部依靠进口。全球半导体硅片市场被日本、韩国等国高度垄断。

　　宽禁带半导晶体，主要以碳化硅和氧化镓为原料，因其具备许多共性，能够应用在多样的工业装备上。8英寸的碳化硅是中国半导体产业，特别是第三代半导体产业迫切需要的材料，需求已开始高速增长，也是我国现在晶体科技重要突破口之一。王继阳表示，我国在第二、第三代半导体发展研究上仍与国外有一定差距，但可以弥补甚至实现超越。

　　他指出，要发展先进半导体材料，就要超越和延伸摩尔定律，将半导体向更大直径、更小线宽、更高集成度发展。要超越目前已经达到的7纳米和5纳米的硅片界限，根据未来市场驱动非数字电器件种类多元化、应用广泛化的要求。以存储芯片为例，不断出现的磁性材料等新材料与3D技术、新型储存器技术的结合，完成了计算与存储结合，逻辑芯片与存储芯片的一体化，减少了CPU内存时间的读数、耗时、耗能等，大大提高了信息存储和处理效率。

　　光电功能晶体：

　　从无到有，从有到强，从科研到国防

　　晶体主要用于声、光、热、电、磁力的相互转化，光电功能晶体指用于光和电转换晶体，重点在用于全固态激光器的固定晶体：包括激光和非线性晶体，及用于信息转换的探测和传感晶体。

　　我国在非线性光学晶体领域的研究相对较早。二十世纪50年代，我国工业基础薄弱，以模仿发达国家为主；70年代以后，在中国科学院院士陈创天等人带领下，我国提出了阴离子检测理论，能够预测晶体性质，在国际上处于领先地位。目前我国非线性晶体领域研究处于国际前列，将来会加大投入产业化。

　　目前我国常用的三种非线性光学晶体，一种是偏硼酸钡，一种是三硼酸锂，一种是磷酸钛氧钾。王继阳介绍，磷酸钛氧钾晶体虽然由杜邦公司研发，但山东大学和北京人工晶体研究院合作已经突破了关键性技术并得到应用，目前已经占领世界市场份额的80%。

　　他指出，1984年我国发明偏硼酸钡晶体后，美国1987年在马里兰召集47位光学科学家专门做了学术研究，研究表明美国在所有科技领域都要领先，唯独在非线性光学晶体受到来自中国的挑战。这充分证明了我国在该领域的重要地位。

　　不仅如此，2007年《Nature》刊登文章，指出中国还研制出另一种特殊晶体——氟硼铍酸钾晶体。在上世纪80年代后，我国在可见区的非线性光学晶体已经做的很好，开始转战激光领域。陈创天及其团队在1992年发现了一种可以用于深紫外线的非线性光学晶体（KKBF），但尺寸达不到2毫米的使用要求。最后他们利用溶晶法完成了晶体加工，不仅达到了理想尺寸，还达到了7.3纳米的激光时速，当时创造了两项世界纪录，突破了三项世界性关键技术难题。

　　“它的发现和应用对中国、对国际科学界有重要影响。中国实验室成为这类晶体具有科学价值的唯一来源，它表明中国在材料科学领域实力日进增长。同时表明其他国家在晶体生长方面与中国差距较大。即使是美国，也是在2017年才突破这种技术。”王继阳说。

　　我国激光晶体也同样取得了显著的成就。2017年我国研制出的235纳米钛宝石晶体，成功实现10拍瓦的激光放大输出，达到了同类研究的国际领先水平，这是我国5拍瓦以后的又一次重大进展。

　　同时，王继阳课题组已能够将产生激光的激光晶体和把红外激光变成绿光的倍频晶体耦合成功制备为激光自倍频高集成的激光芯片，再结合低对称性，设计成一个小型的激光器设计、自倍频激光输出，工序少，成品率高，成本和能耗低。

　　而且它具有输出波长可调，输出功率可控，宽温区启动速度快，以及抗冲击性能好的性能，所以可应用到复杂环境，能够开辟新产品的市场。目前课题组已经将它制备成大功率的炫目武器，用很强的绿光使人眩目又不至失明。

　　我国在激光晶体的产业化道路也位居世界前列。同时实现了激光中绿光、青绿光、黄光和红光全覆盖和精准调控，获得自倍频绿光国际最高输出，填补了商品化黄光激光光源，而且可以批量生产。而且首创的510青绿光激光器，可应用于鲜红斑痣的治疗。

　　新概念晶体，挑战巨大但前途无限

　　原本晶体是长程有序的固体，但自从出现了准晶以后，国际X射线联盟就把它分为了各种类型：二为原子晶体、结构晶体等。晶体带给人类科技新的挑战和机遇，是人类科技向前发展的重要推力，它拓宽了科技领域，又与原来的科技息息相关，互为影响，关键是可以造福于人民和社会。

　　目前量子技术成为世界上公认的下一代科技的中心；光电产业进入了铌酸锂谷的时代；超材料、超构材料等新材料出现和应用；拓扑理论和拓扑光子学为都离不开晶体的发展。王继阳预测，量子材料器件和应用将成为光电材料前端热点。

　　我国多所高校及科研机构，也都将晶体与新材料结合，如南京大学研制了声子晶体；东南大学研制了分子铁电体；北京大学和中山大学研制磁功能晶体；中科院物理所研制的超导材料等，填补了我国在这一科技领域的空白，部分科技成果和材料研究达到了国际领先的水平。

　　王继阳表示：“未来，也许晶体和新材料会广泛应用于深海、深空、深地等空间领域，在水电、热电、核电等多个重大领域有突出贡献。”

　　晶体发展的另外一个趋势就是它的表征、手段、空间等，可以清晰地从宏观、微观这两个极点，掌握材料的结构、性能等规律，深刻理解材料结构性能关系。另外，材料制备技术现在可以实现原子层次精准调控、智能制造和机器学习的应用，引起了制备工艺和技术创新革命。目前我国已经可以制备完全的人工材料。

　　王继阳表示，我国在晶体科技领域发展相对较晚，微电子芯片产业受国外严重制约，材料的设计、研究，特别是装备方面存在严重不足。但是我国光电研究、产品发展和国外基本同步，“未来，我国在加速半导体材料单晶发展的同时，会争取在光电功能晶体领域占重要一席之地，走上国际领域研究的前列”。