根据《国家科学技术奖励工作办公室关于2020年度国家科学技术奖提名工作的通知》（国科奖字〔2019〕38号）的规定和要求，现将中科院福建物质结构研究所拟申报2020年度国家科学技术奖的项目：“平面三角构型紫外非线性光学晶体的结构设计与生长”、“宽禁带半导体界面自由能调控基础研究及其在单晶中的应用”予以公示，任何单位和个人若对拟申报的项目有异议，可在公示之日起7个自然日内以书面形式向所科学技术处提出。异议应当签署真实姓名或加盖单位公章，并提供必要的证据材料，以便于核实查证，匿名及逾期异议不予受理。

　　联系人：陈白泉

　　联系电话：0591-63173796

　　                                                                                                                                                           科学技术处

　　                                                                                                                                                          2020年1月8日

　　附件：

　　公示内容1

　　一、项目名称：平面三角构型紫外非线性光学晶体的结构设计与生长

　　二、提名者：福建省

　　三、提名意见：

　　紫外非线性光学晶体是实现全固态紫外激光输出的关键材料，是材料和化学学科的前沿，对其研究不仅具有重要的科学意义，而且为解决短波紫外变频找到新途径。

　　项目聚焦新型紫外非线性光学晶体结构设计与晶体生长这一基本科学问题，以平面三角配位构型为核心，拓展硼铍酸盐、碳酸盐非线性晶体新体系，实现四倍频器件研制，形成了系列具有国际先进水平的原创性成果：（1）从结构设计角度出发，以BeO₄替换硼酸盐中BO₄基元，发现B-Be-O新型大共轭阴离子基团，硼铍酸盐深紫外体系的拓展，实现层间共价连接，推动了学科发展。（2）提出碳酸盐紫外非线性光学晶体的新体系，通过调控碱金属和第二种金属的离子半径比，实现CO₃基团的共面平行排列，获得系列晶体，采用碱金属氟化物与金属碳酸盐形成低熔点复盐的思路，实现分解温度以下单晶生长。（3）采用BO₃+AlO₄基团结构构筑策略，设计、筛选并生长新型硼酸盐晶体KABO、RAB (R=Y, Lu)；运用熔体酸碱性和相平衡原理，成功实现RAB晶体生长，解决紫外低吸收问题，研制出四倍频器件，实现5.1瓦266 nm激光稳定输出；为四倍频、五倍频激光提供优良晶体候选。

　　项目在J Am Chem Soc等期刊发表SCI论文42篇，得到广泛关注和高度评价，8篇代表性论文他引874次，单篇最高他引222次。部分成果获2016年福建省自然科学奖一等奖。

　　提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖。

　　四、项目简介：

　　紫外非线性光学晶体是实现全固态紫外激光输出的关键材料之一，目前短波紫外变频主要依靠具有平面三角形基团（BO₃）的硼酸盐晶体，而实际应用对晶体综合性能（例如非线性光学系数、双折射率、透过率、损伤阈值等）提出更高要求，因此如何拓展和发现新的材料体系显得尤为迫切。材料的结构决定其物性和功能，本项目在前辈和同行的工作基础上，拓展以平面三角配位构型为核心的设计策略，以基团替换及化学键的变化为主要手段，研发出若干新型紫外非线性光学晶体，并把若干晶体材料进行器件设计，成功实现四倍频激光输出。同时总结一些紫外非线性晶体结构设计方面的规律，为解决短波紫外变频找到新的途径。主要研究成果如下：

　　1、深紫外新型碱金属硼铍酸盐非线性光学晶体结构设计

　　基于硼酸盐结构中BO₃平面三角形是非线性光学活性基元、BO₄四面体主要起连接作用的构效关系实质，采用以性质相近的BeO₄四面体替换BO₄的策略进行结构设计。发现首例具有类萘构型双环新型大共轭阴离子基团的NaBeB₃O₆晶体；通过层状硼铍酸盐层间桥连基团共价连接的结构设计，发现了层间作用力增加的ABe₂B₃O₇ (A = K, Rb) 和Na₂CsBe₆B₅O₁₅晶体，解决深紫外晶体易解理、难长厚等性能瓶颈。

　　2、紫外新型碳酸盐非线性光学晶体的发现

　　基于对CO₃、BO₃基团微观性质的理论对比研究，提出碳酸盐非线性光学晶体的新体系，首次制备出一系列碳酸盐晶体，并实现CO₃基团共面平行排列的结构设计，丰富了紫外非线性光学晶体材料体系。通常碳酸盐晶体由于高温分解难于生长，采用碱金属氟化物与金属碳酸盐形成低熔点复盐的思路，实现碳酸盐分解温度以下的单晶生长，为碳酸盐晶体的合成与探索提供了有效的方案。

　　3、短波紫外硼酸盐非线性光学晶体结构设计、生长与四倍频器件

　　采用BO₃+AlO₄基团结构构筑策略，设计并生长出厘米尺寸的新型硼酸盐晶体K₂Al₂B₂O₇，为四倍频、五倍频激光提供良好候选材料。运用上述结构模型，筛选出可运用于短波紫外倍频的RAl₃(BO₃)₄ (R=Y, Lu) 系列晶体，运用熔体酸碱性和相平衡原理，成功克服传统助熔剂着色导致的紫外低吸收问题，实现紫外高透光率晶体生长；研制出YAB四倍频器件，实现5.1瓦266 nm激光稳定输出。

　　本研究在J. Am. Chem. Soc.等期刊发表42篇SCI论文，被J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun. 等期刊引用和正面评价，8篇代表性论文他引874次，成果有望产业化。主要完成人获国家杰青、政府特殊津贴、“万人计划”中青年科技创新领军人才。

　　五、代表性论文目录：

1.  

   　　Shichao Wang，Ning Ye*，Wei Li，Dan Zhao，Alkaline Beryllium Borate NaBeB₃O₆and ABe₂B₃O₇(A = K, Rb) as UV Nonlinear Optical Crystals，Journal of the American Chemical Society，2010, 132(25): 8779-8786.

2.  

   　　Shichao Wang，Ning Ye*，Na₂CsBe₆B₅O₁₅: An Alkaline Beryllium Borate as a Deep-UV Nonlinear Optical Crystal, Journal of the American Chemical Society，2011, 133(:30): 11458-11461.

3.  

   　　Guohong Zou，Ning Ye*，Ling Huang，Xinsong Lin，Alkaline-Alkaline Earth Fluoride Carbonate Crystals ABCO₃F (A = K, Rb, Cs; B = Ca, Sr, Ba) as Nonlinear Optical Materials，Journal of the American Chemical Society，2011, 133(49): 20001-20007.

4.  

   　　Guohong Zou，Ling Huang，Ning Ye*，Chensheng Lin，Wendan Cheng，Hui Huang，CsPbCO₃F: A Strong Second-Harmonic Generation Material Derived from Enhancement via p-π Interaction，Journal of the American Chemical Society，2013, 135(49): 18560-18566.

5.  

   　　Min Luo，Ning Ye*，Guohong Zou，Chensheng Lin，Wendan Cheng，Na₈Lu₂(CO₃)₆F₂and Na₃Lu(CO₃)₂F₂: Rare Earth Fluoride Carbonates as Deep-UV Nonlinear Optical Materials，Chemistry of Materials，2013, 25(15): 3147-3153.

6.  

   Guangsai Yang，Guang Peng，Ning Ye*，Jiyang Wang，Min Luo，Tao Yan，Yuqiao Zhou，Structural Modulation of Anionic Group Architectures by Cations to Optimize SHG Effects A Facile Route to New NLO Materials in the ATCO₃F (A = K, Rb; T = Zn, Cd) Series，Chemistry of Materials，2015, 27(21): 7520-7530.　

7.  

   N. Ye*，W. Zeng，J. Jiang，B. Wu，C. Chen，B. Feng，X. Zhang，New nonlinear optical crystal K₂Al₂B₂O₇，Journal of the Optical Society of America B Optical Physics，2000, 17(5): 764-768.

8.  

   S. Fang，H. Liu，N. Ye*，Growth and Thermophysical Properties of the Nonlinear Optical Crystal LuAl₃(BO₃)₄，Crystal Growth & Design，2011, 11(11): 5048-5052.　　

　　六、主要完成人（完成单位）：

　　叶宁（中国科学院福建物质结构研究所）、邹国红（中国科学院福建物质结构研究所）、王时超（中国科学院福建物质结构研究所）、罗敏（中国科学院福建物质结构研究所）、方声浩（中国科学院福建物质结构研究所）　　

公示内容2

　　一、项目名称：宽禁带半导体界面自由能调控基础研究及其在单晶中的应用

　　二、提名者：福建省

　　三、提名意见：

　　宽禁带半导体作为重要战略性电子材料，是固态光源、电力电子、微波射频器件的基础和核心。不同于传统窄禁带半导体，宽禁带半导体尚没有发展出成熟的热、动力学理论来指导其高效生长，杂质排除和载流子调控。项目完成人经过多年晶体生长热、动力学基础科学研究：1）发现在强固-液相互作用下，半导体界面自由能不同于真空条件下的表面自由能，可被调控为负值。该发现可用于理解半导体纳米结构能热力学稳定存在这一科学问题。2）发现如何形成低能量界面效应实现宽禁带半导体材料所需特殊杂质排除过程。创造出合适热力学条件，使杂质在界面形成类似负界面自由能的低化学势，使晶格中难以排除的固溶型杂质向界面处富集；该排杂条件有利于提高结晶质量，获得更高载流子迁移率的晶体；同样理念还可用来对浅能级受主进行化学势微调，实现载流子一定范围内的精确调控，获得高和热化学稳定性的优质半导体。将上述科学发现成功应用于CuI、ZnO、AlN单晶生长，不仅首次实现禁带> 3eV的p型CuI单晶，而且实现迄今最高迁移率(236 cm²/Vs)的n型ZnO单晶，优于美日产品；重掺ZnO实现2英寸晶圆批量生产，打破发达国家垄断，成功应用于反冲质子超快诊断、快中子检测等多项重大国家任务。项目8篇核心论文均发表在国际权威期刊，得到多个院士、知名学者的引用和正面评价。项目科学发现对宽禁带半导体生长、载流子调控和应用拓展具有重要的普适性意义。

　　提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

　　四、项目简介：

　　第三代宽禁带半导体是新一代固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”。不同于第一、二代半导体，学术界目前无适合的热、动力学理论方法来指导第三代半导体晶体生长及其载流子调控。该项目针对半导体对杂质和缺陷消除的苛刻需求，围绕半导体固-液界面自由能的科学问题开展原创研究。其特点是：首先认识到半导体晶体通过固-液界面生长的热力学行为与气-固界面生长不同，必须考虑固-液界面强相互作用对界面能的影响及其变化规律。首次发现并证实“负界面自由能”的存在，即界面化学势低于晶体本体化学势的反常热力学现象。进一步提出“调控杂质在界面形成低的化学势来排杂实现高质量晶体生长”的理论方法，并成功应用于CuI、ZnO、AlN单晶的生长和载流子调控，不仅首次实现禁带> 3eV的p型CuI单晶，而且实现迄今最高迁移率(236 cm²/Vs)的n型ZnO单晶，优于美日产品；重掺ZnO (1.07×10¹⁹/cm³)实现2英寸晶圆批量生产，打破发达国家的垄断，成功应用于反冲质子超快诊断、快中子检测等多项重大国防任务。主要科学发现点如下：

1.  

   首次发现半导体-液体间超强相互作用可导致界面化学势既低于晶体本体也低于溶液：经典热力学理论认为，真空条件下固体表面能为正值且较大，而液体环境中固体“表面”变为“界面”，固-液相互作用可使界面能减小，但总为正值。该假设是现代相图理论的基础。该项目首次发现界面自由能在特定条件下可被调控为负值，使其界面化学势既低于晶体本体也低于溶液。所提出的界面能与晶体形貌依赖的数学模型在被国外学者用于解释地质、金属材料领域的基础科学问题。

2.  

   提出利用低能界面积聚杂质的方法来进行宽禁带半导体的可控排杂，从而实现其高结晶质量、高迁移率和载流子浓度调控：发现人为创造条件可以使得杂质在固-液界面处化学势降低，这一思路为生长优质半导体材料提供了原创性方法。基于以上原理，该项目成功获得了高迁、高稳、载流子浓度部分可调的高质量宽禁带半导体体单晶。利用相似的热力学调控思路，还可得到超高电阻率的ZnO单晶，并依托其制备出了可在10⁷ V/cm高电场强下工作的X射线探测器件，并在国家重要任务中试用。所获得的AlN微米晶须有高结晶质量，可制成首个快响应的真空紫外探测器。

　　项目研究期间，发表相关论文50多篇，其中8篇核心论文发表在国际权威期刊上。重要科学发现点被不同领域学者用于解释多个基础科学问题。如，西班牙J. M. García-Ruiz教授在论文Science, 2012, 69, 336中，5次引用“负界面自由能”科学点来解释火星地质上烧石膏相的存在问题，并完全使用该项目提出的模型。美国T. Frolov教授在Phy. Rev. Lett. 2010 104, 055701这一理论文章中承认本项目通过实验先于他证实负界面能存在，并在其理论模型中提出与该项目数学精神一致的描述。黄维、洪茂椿、李亚栋、江雷等院士在其发表的高水平论文中，均利用该项目的科学发现点来解释各自的实验。

　　五、代表性论文专著目录：

　　六、主要完成人（完成单位）：

　　黄丰（中国科学院福建物质结构研究所）、郑伟（中山大学）、湛智兵（中国科学院福建物质结构研究所）、陈达贵（中国科学院福建物质结构研究所）