小料科普 | 多彩的人工晶体系列——石英晶体

人类早期对水晶的认识

提到石英晶体，大家或许更习惯称之为水晶，其主要成分是二氧化硅（SiO2）。众所周知，地壳中蕴含最丰富的两种元素就是氧（O）和硅（Si），地球在漫长的46亿年生命中，由于内部应力释放产生的诸如地震、火山等各种地质作用，部分硅的氧化物在温度和压力的作用下沉积结晶，形成水晶矿。纯的水晶无色透明，很多天然水晶由于掺入了铁、铝、钴、钛等元素，呈现出各种各样的美丽颜色。

多彩的水晶

早在距今2.8万年前的山西峙峪遗址，出土过一件水晶制作的小石刀和一件由一面穿孔而成的石器装饰品；距今8000年前红山文化遗址中，除了水晶凿、斧等工具外，还有水晶珠子、耳坠等物品。自春秋战国时期开始，天然水晶作为宝石被赋予尊贵、吉祥、纯洁等意义，各朝各代王公贵族把水晶制成各种饰物和摆件。

水晶饰物和摆件

石英晶体的工业化进程和应用

1880年，法国人居里兄弟发现了压电效应。1917年，皮埃尔居里（Pierre Curie）的学生、法国科学家朗之万（Langevin）利用水晶的压电效应，制造了超声波探测仪，军事上用于探测潜水艇，拉开了石英晶体工业应用研究序幕。第二次世界大战中，石英晶体元件大量用于军事无线电通讯设备，成为重要的战略物资。

 Pierre Curie和压电效应

优质天然水晶资源稀缺，并富含多种杂质，严重影响元器件性能，人造石英晶体的研究成为必然。事实上，最早期的人工培育开始于19世纪中叶，K.Schsfthaul为了研究地球内部成矿机理，首次使用水热法合成了石英微晶。二战后，英、美、苏、日和中国先后建立起人造石英晶体研究和生产机构，人造石英晶体伴随电子产业飞速发展。

 天然石英矿和人造光学石英晶体

石英晶体具有很高的品质因数（Q值）和良好的温度频率稳定性，可制作选择、控制频率的晶振元件，凭借一只小小的石英晶振，就可以实现时间的精确控制。石英晶体滤波器是高端通讯器材的核心元器件，可以从嘈杂的无线电干扰信号中选择出微弱的有用信号。

石英元件及其在主板上（无线接入点）的应用

图中黄色为芯片、红色为石英晶振

在信息化时代，一切数字化设备都是按照“节拍”工作的，石英晶振提供的准确时钟信号，正是这一切的基础。从高科技的航空航天，到遍布全社会的各种自动化设备，再到每个家庭的各种电子产品中，都有一个或多个晶振在默默无闻地工作着。

石英晶体的应用

石英晶体还具有透光范围宽（170nm-2500nm）、光学均匀性好、透过率高等优异的光学特性，可制作紫外窗口、光学波片、旋光片、光学低通滤波片等光学元件，广泛应用于高清摄像、光学仪器和光纤通讯等领域。

光学低通滤波片（OLPF）

中国建材人造石英晶体的发展

中国建材集团所属中材人工晶体研究院是国内最早一批开展人造石英晶体研究的单位，是我国第一块人造石英晶体的诞生地。晶体院利用国库优质天然水晶作为晶种，模拟天然水晶成矿机理，研究和开发了具有自主知识产权的石英晶体生长工艺。

 优质天然晶种和获奖证书  

晶体院承担了多个国家军工配套项目、国家自然科学基金重点项目、科技部高技术产业化项目等一大批重要研究课题，为国家重大工程、装备提供了高品质的石英晶体。先后获得了国家科学技术进步奖二等奖、制修订多项国标和国军标，形成了大尺寸、高品质、耐辐照和品种全等特点的四大类高品质人造石英晶体：

四大类人造石英晶体

1. 面向航空航天领域通讯模块的耐辐照石英晶体。

2. 面向5G、人工智能领域的小型、高频、高精、高稳、低损耗晶振元件的低腐蚀隧道密度石英晶体。

3. 面向光纤通讯、高精密仪器的光学系统领域高透过率、高均匀性光学石英晶体。

4. 面向特殊领域的大尺寸、高功率激光窗口的大尺寸光学石英晶体。

 人工晶体研究院石英晶体产品

随着我国新基建布局的快速展开，电子元件向着小型、高频、高精、高稳、低功耗方向快速发展，高纯度、低缺陷的石英晶体将迎来新的更大的发展机遇，人们的物质文化生活也将因它而变得更加美好。