科普之窗
“科普分享”大咖讲,“两弹一星”——下开式高压超导磁场直拉单晶炉
- 作者: 中国科学院与“两弹一星”纪念馆
- 创建时间: 2022年5月22日
编者按:科普共分享,大咖来开讲。为庆祝第七个“中国航天日”,中国科学院与“两弹一星”纪念馆推出了“航天点亮梦想”主题月活动之“科普分享”特别节目。时近一月,不知不觉活动已接近尾声。今天,一位重量级科学大咖的科普文章即将隆重登场,为“科普分享”画上圆满的句号。
这位科学大咖就是我们的李树深校长。李校长是我校1996届毕业生,曾长期担任中国科学院半导体研究所所长,是半导体器件物理学家、中国科学院院士和发展中国家科学院院士。从我校的受教者到执教者和领路人,同时作为“两弹一星”精神的传承者,李校长对我国半导体科学与“两弹一星”历史、对“两弹一星”精神的弘扬,都有着更为深刻的认识和更为权威的解读。
在2021年开学典礼上,李校长曾向新生推荐了两处校园“打卡”地,第一处便是中国科学院与“两弹一星”纪念馆。那里,曾经是钱学森、郭永怀等著名科学家创建的中国科学院怀柔火箭试验基地,是“两弹一星”事业的发源地之一。我校雁栖湖校区就是在该基地原址上建设而成的,“两弹一星”精神自然而然地成为了中国科学院大学的历史根基和精神脉络。
疫情或许可以阻隔我们“打卡”的脚步,却无法阻断大家对品读“两弹一星”精神底色、感受新时代科学家精神魅力的向往。接下来,就让我们通过“科普分享”,跟着大咖去“打卡”,共同跟随李树深校长走近半导体、认识单晶炉,了解那些可爱的人、聆听那些难忘的事。
2021年11月26日,中国科学院半导体研究所将“下开式高压超导磁场直拉单晶炉”赠予了中国科学院与“两弹一星”纪念馆用于科普宣传。众所周知,半导体科技是现代生活许多电子产品的基础,包括计算机、蜂窝电话、太阳能面板、医疗诊断与自动驾驶汽车等,几乎所有的电子设备都离不开半导体科技。
世界上第一只半导体晶体管
早在十九世纪,科学家们便通过各种实验逐渐认识了硅、锗等半导体的基本性质。然而,科学家们并不知道如何生长半导体单晶。
直到1916年的某一天,波兰科学家切克劳斯基刚写完实验记录,不经意间,他随手将钢笔放入熔融的锡中而非墨水瓶里。待他迅速将笔抽出之际,发现笔尖上有一根很细的固化金属丝,经分析,该金属丝是由直径为毫米级的金属单晶构成。1918年,他正式发表了该发现,这就是早期的直拉法。
后来,科学家们根据直拉法,制作出了生长半导体单晶的设备——直拉单晶炉,它主要依靠将原材料进行熔化-重新结晶来完成单晶体的生长。1947年12月23日,约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿与威廉·肖克利在美国贝尔实验室研制出了一种点接触型的锗晶体管,并在半年后拿到了晶体管的专利。这是世界上第一只半导体晶体管。
中国半导体材料科学奠基人林兰英的艰难归国路
当半导体科技在国外如火如荼地发展之际,后来被誉为“中国半导体材料科学奠基人”的林兰英毅然决然地放弃了继续攻读数学的机会,转而投身进固体物理学的领域。1955年夏,获得宾夕法尼亚大学博士学位后,林兰英就想回国,但美国深知“她脑子里装着半导体领域几乎所有的先进知识,不能让她把技术带回中国”,因而严禁她回国。于是,她只好先在美国半导体领域的龙头企业——索菲尼亚公司担任高级工程师一职。
直到1956年,中美达成协议:中方分批释放在朝鲜战场被俘的美军,而美方则允许部分留学生回中国。林兰英得知此消息兴奋不已,她立即以母亲重病为由申请回国,可美国官员却回复她:“美国的医疗技术是弱小的中国无法匹敌的,你何不把妈妈接到美国来,给她最好的医疗?我们也会给你开最高的工资,你们母女俩在这里的生活水平,一定会比在中国高得多!”林兰英坚决地说:“如果我活着只是为了优越的生活,那我当年便不会千辛万苦远渡重洋,而如今也不会不惜一切,势要回国了!”历经艰难险阻,她终于在1957年1月回到了魂牵梦萦的祖国。
半导体科技助力“两弹一星”研制
1956年12月,半导体科技被我国列为《十二年科技发展远景规划》四大紧急措施之一,中国科学院迅速将应用物理研究所的电学组扩建为半导体研究室(1960年9月,在半导体研究室的基础上成立了半导体研究所)。回国后不久,林兰英便进入了半导体研究室,并将自己从美国带回来的几百克锗单晶与硅单晶全部无偿捐献给了中国科学院。
在林兰英的带领下,1957年我国第一根锗单晶问世,次年硅单晶也被成功研制出来,填补了我国在半导体领域的空白!后来,由于苏联封闭式硅单晶炉在制备无位错硅单晶时存在不足,她开始研究设计新的硅单晶炉,最终在1961年成功制造出我国第一台开门式硅单晶炉,并荣获国家新产品奖。
毋庸赘言,半导体科技为我国成功研制“两弹一星”立下了赫赫战功,例如:1964年10月16日,我国第一颗原子弹爆炸成功,硅外延材料在其制造过程中发挥了重要作用;1967年6月17日,我国第一颗氢弹爆炸成功,用于计算的109乙机正是我国第一台全部采用国产元器件的大型晶体管通用数字计算机;1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功,用于播送《东方红》乐曲的无线信标机也是半导体器件。
下开式高压超导磁场直拉单晶炉
改革开放后,林兰英开创性地提出了在空间微重力条件下拉制砷化镓单晶的设想。1987年8月,中国科学院半导体研究所终于在我国第九颗返回式人造卫星上拉制出了第一块高质量低缺陷的砷化镓单晶。十五年间,我国又在返回式卫星上成功生长了4次砷化镓单晶,其中最大的砷化镓晶体直径达20毫米。
1999年,为模拟空间微重力条件下生长半导体单晶的过程,钟兴儒、田金法、吴金良、林兰英与陈诺夫采用超导磁体向直拉单晶炉熔体空间引入磁感应强度,同时改变了开闭方向,研制出了“下开式高压超导磁场直拉单晶炉”,并在一年后拿到了该直拉单晶炉的专利。
该直拉单晶炉的主体结构为单晶炉炉体、超导磁体装置与电器控制系统。其中,单晶炉炉体主要由支架、炉桶、炉底、籽晶杆、坩埚杆、籽晶杆坩埚杆升降旋转系统、炉底液压升降系统、炉底滑道、气路系统、真空系统、冷却水系统等部分组成;超导磁体装置主要由垂直磁场线圈和水平磁场线圈构成;电器控制系统包括加热电源与控制系统、基本传动控制系统、故障保护及报警控制系统、辅助控制系统四大部分。
截至2002年,科技人员通过该直拉单晶炉研究了磁场下熔体生长砷化镓单晶的最佳工艺,生长了直径为50.8毫米的优质砷化镓单晶,为我国实现空间生长大直径砷化镓晶体的形貌控制立下了汗马功劳。
二十年后,“下开式高压超导磁场直拉单晶炉”将充分应用于中国科学院与“两弹一星”纪念馆的科普宣传工作,不断砥砺中国科学院大学学子开展空间微重力科学实验的决心,践行科学家精神、“两弹一星”精神与航天报国精神,不负“国有疑难可问谁?强国一代有我在”的铮铮誓言。
结 束 语
伟大的事业孕育伟大的精神。众所周知,“两弹一星”事业是新中国和平时期的“三大战役”,是新中国建设成就的重要象征,是中华民族的荣耀与骄傲。诚如李树深校长所说,“两弹一星”精神是老一辈科学家在艰苦卓绝环境中铸就的不朽精神丰碑,是中国共产党人精神谱系的重要组成,也是国科大文化的历史根基和精神脉络。他希望同学们以“两弹一星”精神为精神坐标,做爱国实干的科研人。
“科学成就离不开精神支撑”。李校长的《下开式高压超导磁场直拉单晶炉》已经为中国科学院与“两弹一星”纪念馆今年的航天日活动画上了圆满的句号,但诸多科学大咖的科普分享正在为学校思政教育擘画出崭新的未来。从风洞模型到单晶炉,从“科普分享”到“大思政课”,我们的征途是星辰大海。
浩渺行无极,扬帆但信风。为深入贯彻落实习近平总书记关于思政课建设的重要论述和指示,中国科学院与“两弹一星”纪念馆将持续大力弘扬“两弹一星”精神和科学家精神,服务“大思政”育人格局构建,落实立德树人根本任务,引导广大师生切实增强“四个意识”、坚定“四个自信”、坚决做到“两个维护”,深刻理解和把握“两个确立”的决定性意义,加强理想信念教育,厚植爱国主义情怀,统一政治性与科学性、理论性与实践性、亲和力与感召力,凸显我校思政课实践教学特色,开展相关课程品牌建设和教育基地建设,做好新时代的精神引领,负起中国梦的使命担当。
同时,为应对疫情形势新变化,中国科学院与“两弹一星”纪念馆还将不断发展新理念、探究新方法、创造新模式,做到线上线下相结合、课上课下相贯通,因地制宜、与时俱进更好地服务广大师生、校友和所有关心关注纪念馆的朋友们。
作 者 简 介
李树深,博士,研究员,中国科学院院士,发展中国家科学院院士。现任中国科学院副院长、党组成员,中国科学院大学党委书记、校长。2011年12月至2018年4月曾任中国科学院半导体研究所所长。半导体器件物理学家,主要从事半导体低维量子结构中的器件物理基础研究。
在李树深校长的倡导下,中国科学院半导体研究所于2021年11月26日向中国科学院与“两弹一星”纪念馆捐赠下开式高压超导磁场直拉单晶炉,并以此为题系统讲述了半导体与“两弹一星”的故事,以及中国半导体材料科学奠基人林兰英先生的事迹。