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1、实验室简介
晶体材料国家重点实验室是我国首批建设的十个国家重点实验室之一，1984年获准在山东大学晶体材料研究所的基础上建设，1987年通过验收并正式对外开放，创始人为我国著名材料学家、中国科学院院士蒋民华先生。实验室以功能晶体材料和器件为研究重点，先后于1990、1997、2003、2008年四次国家重点实验室评估中获评优秀，并于2013免评（优秀）。2017年，被李克强同志评价为“国家的宝贝”。目前实验室有院士1人，长江学者、国家杰青、海外高层次人才等国家级杰出人才20人次，“四青”等国家级优秀青年人才17人次，山东省泰山学者/杰出青年等省部级人才34人次，已发展成我国晶体领域的创新人才聚集高地。
图源：晶体材料国家重点实验室
近年来，实验室聚焦于晶体材料创制及生长机理与技术、功率半导体晶体材料及器件、光电功能晶体材料及强激光技术、生物医用晶体材料及应用等研究方向，开展国际前沿、国家安全、国民经济和生命健康等领域半导体晶体和器件、光电功能晶体、生物医用晶体材料和装备的研究，形成了以基础研究为“一体”、功率半导体晶体和光电功能晶体研究为“两翼”的发展格局。
2、主要研究领域
晶体材料国家重点实验室研究领域主要包括四大方向，分别是功能晶体材料、晶体物理性能、低维材料以及晶体生长。
功能晶体材料：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、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、生长技术的研究。
晶体物理性能：该研究方向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；功能晶体材料内部结构、组成、缺陷及完整性对其性能的影响；功能晶体材料表面和界面特性研究；以及晶体新功能效应、新物理现象的探索和研究等。
低维材料：该研究方向包括采用MOCVD、射频溅射等先进材料制备方法制备低维功能晶体材料，涵盖二维（薄膜）一维(纤维)和准零维（微纳米材料），并探索和制备相关原型器件。这一方向研究工作包含了半导体薄膜、铁电薄膜和有机薄膜材料，还包括了光波导材料，具有层状结构的合金或化合物型磁性材料，高温氧化物连续纤维以及微米/纳米材料等。
晶体生长：该方向研究包括晶体生长热力学、动力学、晶体生长过程的实时观测和计算机模拟等。
3、2022年至今部分研究成果介绍
单晶钙钛矿太阳能电池
实验室陶绪堂教授团队在单晶钙钛矿太阳能电池方面获重要进展。
实验室博士生李宁在陈召来教授和陶绪堂教授指导下通过设计空穴提取界面使MAPbI3单晶钙钛矿太阳能电池效率超过22%并且具有优异的室内弱光响应。疏水性P3HT分子被引入到空穴传输层中，与晶体表面未配位的Pb2+相互作用并促进离子在限域空间内的扩散，从而生长更高质量的钙钛矿薄单晶。表界面和体缺陷密度的降低以及非辐射复合的抑制，促进了单晶电池的电荷传输和提取。最终器件实现了1.13V的高开路电压以及22.1%的光电转换效率，这是MAPbI3单晶钙钛矿太阳能电池的最高值。此外，在掺入P3HT后，降低的缺陷密度和抑制的载流子复合导致单晶太阳能电池具有优异的弱光响应，在1000lux照射下获得了39.2%的室内光伏效率。
有机半导体激发态量子新效应
实验室郝晓涛教授带领的有机光电子学团队在有机半导体激发态量子新效应研究中取得新进展。
研究团队通过使用多种光物理表征技术构筑了基于PM6和BTP-eC9体系的二元及多元有机光伏器件在热致衰减过程中电-声耦合演化与光生载流子俘获动力学之间的关联图像。通过四元策略协同地调控分子堆积可以抑制非富勒烯分子的聚集并维持更加稳定的分子间电-声耦合，从而抑制缺陷态对光生载流子的俘获能力。最终四元策略实现了有机光伏器件效率和稳定性的同时提高。该工作不仅为有机光伏器件稳定性研究提供了新的光物理视角，而且为进一步发展高效稳定的有机太阳电池提供了新的策略。
高光电性能铁电单晶
实验室张怀金、于浩海教授课题组与卧龙岗大学张树君教授合作，在铁电单晶的光电性能研究方面取得了重要进展。
研究团队利用晶体组分调控铁电畴的尺寸和空间序构，优选出有利于载流子分离和传输的极化排布类型。研究发现，当KTN晶体的居里温度Tc略高于室温时，KTN晶体中产生了大量的“头对头”“尾对尾”电极化分布，从而在不同极化方向的界面处形成牢固的导电畴壁。此时晶体内部的静电势呈现周期性涨落，驱动载流子沿着特定方向运动，实现载流子的高效分离和收集。在这种模式下，铁电畴既提供了有效的内建电场驱动载流子分离，同时降低了载流子的复合概率，从而构筑了两条互不干扰的“铁电高速公路”，有效提高晶体的光电流响应。得益于带电畴壁产生的电子-空穴通道，KTN晶体在零偏压下实现了超高的紫外光响应度，比此前报道的同类铁电材料高约四个数量级。该研究工作可能对发展基于铁电晶体的新型光功能器件具有重要意义，同时为功能基元序构调控在非线性光学、太阳能电池、发光二极管等光电子学领域的研究提供新的思路和借鉴。
有机无机复合Z型异质结纳米能源材料
实验室刘宏教授、桑元华教授团队设计了卟啉基共价有机聚合物和硫化铟锌Z型异质结实现了高效光催化水分解产氢，在纳米能源领域再添新成果。
团队受光合作用叶绿素的重要组成成分卟啉单元启发，巧妙设计了一种新型的卟啉基共价有机聚合物（COP）并与ZnIn2S4（ZIS）形成了Z型异质结光催化剂，研究表明在COP的HOMO轨道上的光生电子与ZIS的VB处的光生空穴结合，促进了ZIS表面光电子超过3倍的积累。引入Pt助催化剂到COP-ZIS异质结构中解决了反应速率低的问题，实现了5.04mmolg-1h-1的高效光催化析氢速率，进一步提高了约5倍的析氢速率。基于COP的异质结构策略将激发更多有机-无机Z型异质结构的设计，实现高效的光催化绿色能量转换。
8英寸导电型碳化硅衬底制备技术
实验室徐现刚教授团队在8英寸导电型碳化硅（SiC）单晶衬底制备技术领域取得重要突破。团队与南砂晶圆半导体公司合作，采用物理气相传输法（PVT）扩径制备了8英寸导电型4H-SiC单晶，并加工成厚度520μm的8英寸4H-SiC衬底，经测试表征，衬底微管密度小于0.3/cm2，4H-SiC晶型比例100%，电阻率平均值22mΩ·cm，不均匀性小于4%，衬底(004)面高分辨XRD5点摇摆曲线半峰宽平均值32.7弧秒，说明明衬底具有良好的结晶质量，边缘扩径区域没有小角度晶界缺陷。该成果表明山东大学在大尺寸碳化硅单晶衬底研发方面实现了重要突破，为提升我国在碳化硅领域国际竞争力奠定良好基础。
新型激光产生机制
实验室张怀金、于浩海教授团队和南京大学陈延峰教授团队合作，提出了一种新型激光产生机制，通过激光谐振腔的模式选择，实现激光晶体中声子对电子跃迁过程的量子裁剪，阐明了该过程的关键功能基元和序构关系，并在Yb:YCa4O(BO3)3(Yb:YCOB)激光晶体中实现了突破荧光范围的激光辐射。
研制高质量4英寸氧化镓晶体
实验室陶绪堂教授团队使用导模法(EFG)成功制备了外形完整的4英寸(001)主面氧化镓(β-Ga2O3)单晶，并对其性能进行了分析。劳厄测试衍射斑点清晰、对称，说明晶体具有良好的单晶性，无孪晶；X射线衍射摇摆曲线显示晶体(400)面半峰全宽仅为57.57″，结晶质量较高；湿法化学腐蚀测试结果表明，晶体位错密度为1.06×104cm-2；C-V测试确认β-Ga2O3晶体中载流子浓度为7.77×1016cm-3。测试结果表明，该团队通过导模法获得了高质量的4英寸β-Ga2O3单晶。
此外，团队通过优化提拉法晶体生长工艺，在原有1英寸晶体基础上，成功放大到2英寸，晶体外形规整、无裂纹，晶体质量较高。晶体生长尺寸与德国IKZ及美国空军实验室相当，达到国际先进水平。
功能晶体生长方法
实验室陶绪堂、刘阳教授团队在功能晶体生长方法研究中取得重要进展。团队开发了一种普适性、产率高、可用于规模化生长尺寸可控单晶的新型方法。这种被称作压片助熔剂法(CompressedFluxGrowth，CFG)的新方法通过巧妙地利用聚合物(如聚二甲基硅氧烷和聚乙二醇等)作为晶体生长的助熔剂，配合可调节的压缩生长空间，可以将各种有机、无机材料生长成大小、厚度均可控的单晶薄片，原料利用率接近100%，单次生长可达数百万片。
磁斯格明子研究
实验室戴瑛教授团队在磁斯格明子研究中取得系列新进展。反铁磁斯格明子晶体（AF-SkX）是规则的反铁磁斯格明子阵列，其相较于铁磁斯格明子有输运速度快、杂散场、能抵御斯格明子霍尔效应等优势。团队提出了在Janus单分子层CrSi2N2As2中可以实现AF-SkX。这一工作丰富了反铁磁斯格明子领域的研究，并为未来二维体系中反铁磁斯格明子物理学的研究打下了基础。团队基于第一性原理计算和蒙特卡洛模拟，在二维范德华异质结MnTe2/ZrS2中发现了多重拓扑磁性态（包含斯格明子和双半子）。此外，团队利用第一性原理计算结合蒙特卡罗模拟研究了铁磁单层CrInSe3和CrInTe3中的拓扑自旋结构，发现这两个单层材料具有空间反演对称破缺以及较大的自旋轨道耦合作用，在不需要磁场的情况下存在磁斯格明子。此外，还发现施加适中强度的磁场，可以在较宽的温度范围内获得稳定的磁斯格明子相。特别是在单层CrInTe3中，磁斯格明子的尺寸在10nm以内，且在约180K的高温下仍能保持其斯格明子相。这一工作丰富了二维体系中磁斯格明子的研究。
微纳尺度单晶缺陷成像
实验室黄柏标、郑昭科教授团队在微纳尺度单晶缺陷成像方面取得重要进展，通过自主研制的“时间-空间”分辨单颗粒光谱系统，成功实现了半导体单晶表面缺陷的纳米级成像。
研究团队基于m-BiVO4晶体的各向异性，提出了一种氢退火策略以在{010}晶面上生成氧空位，通过自主研制的单颗粒光谱系统，首次成功实现了m-BiVO4单晶表面缺陷的纳米级成像。单颗粒光谱表明，氢退火后，{010}晶面上的荧光寿命显著增加，这是由于在光激发下，{010}晶面受激产生的电子通过弛豫到缺陷态或被直接激发捕获而衰减，导致形成电荷分离状态。而氧退火后荧光猝灭，这表明m-BiVO4的荧光发射来自于氧缺陷。该工作不仅提供了一种精准监测单晶材料缺陷空间分布的成像技术，还可用于多相催化反应的空间高分辨实时监测。
参考来源：晶体材料国家重点实验室网站
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