文心

如今，北京的全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)如火如荼。近年來，北京市將創(chuàng)新作為引領(lǐng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的源動力，緊緊圍繞全球科技發(fā)展前沿、國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國家重大戰(zhàn)略需求，在基礎(chǔ)科學(xué)、關(guān)鍵技術(shù)、高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面深耕細(xì)作，形成了一系列的豐碩成果。

在2019北京科技周期間，由北京市人民政府新聞辦公室、北京市科學(xué)技術(shù)委員會（以下簡稱“北京市科委”）聯(lián)合召開了“基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大創(chuàng)新成果”“高精尖重點領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新成果”等多項新聞發(fā)布會，將全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)5年以來取得的一系列基礎(chǔ)前沿及高精尖領(lǐng)域的重大創(chuàng)新成果集中對外亮相。其中，新材料領(lǐng)域無論在基礎(chǔ)前沿研究還是高精尖產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域均有不俗表現(xiàn)。

原始創(chuàng)新投入大，前沿成果國際領(lǐng)先

據(jù)北京市科委副主任張光連在“基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大創(chuàng)新成果”新聞發(fā)布會上介紹，2018年北京科學(xué)研究與試驗發(fā)展（R&D）經(jīng)費(fèi)占地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）比重位居全國第1，其中基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)占R&D經(jīng)費(fèi)約15%左右。北京地區(qū)的國家重點實驗室等國家科技創(chuàng)新基地占全國1/3左右；已經(jīng)運(yùn)行、在建、擬建的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施19個。截至2018年底，北京地區(qū)每萬人發(fā)明專利擁有量111.2件，位居全國第一；有69項成果獲2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎，占全國通用項目獲獎總數(shù)的30.8%，連續(xù)3年獲國家自然科學(xué)獎一等獎；2018年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”中，北京主導(dǎo)和參與的占據(jù)6項之多。在英國《自然》雜志增刊《2018自然指數(shù)—科研城市》對全球500個城市的評價顯示，北京蟬聯(lián)全球第1。

北京市集中了全國近1/3的科技資源，經(jīng)過多年的布局和發(fā)展，新材料領(lǐng)域多項成果已位居世界前列。

在科技周上重點展示的石墨烯單晶晶圓的規(guī)?；苽浜脱b備技術(shù)，以及我國科學(xué)家首次在鐵基超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子作為新材料領(lǐng)域典型項目在此次發(fā)布會上被重磅推出。

石墨烯單晶晶圓的規(guī)模化制備和裝備技術(shù)

2004年，英國曼切斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov采用物理剝離石墨的方法得到了單原子層厚度的石墨，也就是石墨烯。這種材料被實驗驗證真實存在，此后，石墨烯引發(fā)了全世界科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，鑒于其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，成為全球競爭的焦點。

但由于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，大尺寸單晶制作難度大，一直以來是制約其工業(yè)化大規(guī)模發(fā)展的主要原因。北京大學(xué)和北京石墨烯研究院的劉忠范院士—彭海琳教授課題組從2008年就開始從事石墨烯材料的化學(xué)氣相沉積生長技術(shù)研發(fā)，經(jīng)過十余年的發(fā)展，突破了諸多石墨烯制備關(guān)鍵技術(shù)，取得了重大突破。2017年，該團(tuán)隊通過化學(xué)氣相沉積工藝的精準(zhǔn)調(diào)控，實現(xiàn)了石墨烯多晶成核的取向一致，在國際上率先實現(xiàn)了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓的化學(xué)氣相沉積制備。之后，團(tuán)隊又通過關(guān)鍵工藝研究，進(jìn)一步實現(xiàn)4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備，將4英寸石墨烯單晶的生長時間從2h縮短到10min。

與此同時，該團(tuán)隊還自主研發(fā)了石墨烯單晶晶圓批量制備裝備，實現(xiàn)了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設(shè)備年產(chǎn)能可達(dá)1萬片，在世界范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了石墨烯單晶晶圓的可規(guī)?；苽?，為石墨烯高端電子、光電子器件應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)，提升了我國在石墨烯研究領(lǐng)域的國際影響力。

我國科學(xué)家首次在鐵基超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納任意子

1937年，意大利理論物理學(xué)家Ettore Majorana預(yù)言了自旋為1/2的中性費(fèi)米子，其反粒子是它本身，并認(rèn)為是一種基本粒子。之后人們把這種神奇的粒子稱為“馬約拉納費(fèi)米子”，并猜測構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子中的中微子有可能是馬約拉納費(fèi)米子，但目前尚未得到實驗上的證實。

80余年來，關(guān)于馬約拉納費(fèi)米子的研究一直是物理學(xué)最前沿的熱點之一?？茖W(xué)家一直在不斷尋找相關(guān)的實驗證據(jù)。2018年3月，中國科學(xué)院物理研究所丁洪及國際合作團(tuán)隊在《Science》上率先報道在鐵基超導(dǎo)體（FeTe0.55Se0.45，Tc=15K）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)拓?fù)浔砻鎽B(tài)，為觀測馬約拉納任意子提供了研究平臺。隨后，中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)高鴻鈞、丁洪聯(lián)合團(tuán)隊利用自主設(shè)計、研制的超高真空—極低溫—強(qiáng)磁場—掃描隧道顯微鏡—分子束外延-低能電子衍射聯(lián)合系統(tǒng)，對高質(zhì)量鐵基超導(dǎo)體展開了系列探索。2018年8月，團(tuán)隊在《Science》發(fā)表發(fā)表了相關(guān)研究成果，首次報道了在位于鐵基超導(dǎo)體磁渦旋中心觀察到了束縛態(tài)即為馬約拉納任意子。研究表明，觀察到的馬約拉納束縛態(tài)具有純凈度高，6T以下磁場以及4K以下溫度能夠穩(wěn)定存在，材料體系簡單等優(yōu)點。

這是我國科學(xué)家在國際上首次在單一塊體超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)高純度的馬約拉納任意子，且該馬約拉納任意子能在相對高的溫度下實現(xiàn)，不容易受到其他準(zhǔn)粒子的干擾，這也預(yù)示著在其他的多能帶高溫超導(dǎo)體里也可能存在馬約拉納任意子，為在相對高的溫度實現(xiàn)和操控馬約拉納束縛態(tài)提供了一個新的平臺，對構(gòu)建穩(wěn)定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機(jī)的應(yīng)用具有極其重要意義。2019年1月，該成果入選2018年度中國十大科技進(jìn)展新聞。

高精尖領(lǐng)域領(lǐng)跑北京產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2017年12月26日，北京市政府向社會發(fā)布了包括《北京市加快科技創(chuàng)新發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》在內(nèi)的10個高精尖產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)意見，為北京市未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點劃定了重點和方向。在全市統(tǒng)一部署下，經(jīng)過培育與發(fā)展，北京市在納米材料、第3代半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢已初現(xiàn)端倪。在“高精尖重點領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新成果”新聞發(fā)布會上，4～6英寸高品質(zhì)碳化硅單晶襯底產(chǎn)業(yè)化項目就是新材料領(lǐng)域的典型代表。

近年來，隨著5G通訊技術(shù)、智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域快速發(fā)展，市場上對具有更大禁帶寬度、更高熱導(dǎo)率的第3代半導(dǎo)體材料的需求與日俱增，在一些特定的領(lǐng)域，原有的硅基器件難以滿足市場需求。而基于國外的長期布局，在這一領(lǐng)域我國產(chǎn)業(yè)整體水平略有滯后。第3代半導(dǎo)體材料是產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)上有所突破的企業(yè)不多。

成長于北京本地的北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（簡稱“天科合達(dá)”）是國內(nèi)較早開始專業(yè)從事碳化硅單晶襯底的研發(fā)和生產(chǎn)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。經(jīng)過十幾年的耕耘與發(fā)展，形成了集第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵材料——碳化硅單晶生長、加工、檢測、清洗封裝等設(shè)施齊全的創(chuàng)新型碳化硅單晶襯底生產(chǎn)基地，突破國外對SiC單晶襯底產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，實現(xiàn)高質(zhì)量4～6英寸SiC單晶襯底產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)自主可控，材料品質(zhì)達(dá)到國際先進(jìn)水平。與此同時，還實現(xiàn)了核心裝備和核心工藝的自主可控。天科合達(dá)團(tuán)隊開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅單晶爐設(shè)備，相比國外設(shè)備，不僅具有更優(yōu)異的性能，同時又具有更低的制造成本?；谧灾餮兄频膯尉t設(shè)備，天科合達(dá)突破了碳化硅晶體缺陷控制、電阻率調(diào)控等關(guān)鍵工藝技術(shù)，掌握了碳化硅單晶襯底制備核心技術(shù)，目前已經(jīng)全部實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

隨著北京市在第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的廣泛布局，關(guān)鍵材料的自給自足將進(jìn)一步推動北京市碳化硅外延、器件等相關(guān)的應(yīng)用研究，帶動更多企業(yè)進(jìn)入下游外延、器件和模塊的產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)北京市形成完整的第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，推動整個產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

相信隨著北京原始創(chuàng)新能力的進(jìn)一步釋放，首都經(jīng)濟(jì)將迎來下一個發(fā)展熱潮。