北京科技創新水平再創新高

文心

如今，北京的全國科技創新中心建設如火如荼。近年來，北京市將創新作為引領地方經濟發展的源動力，緊緊圍繞全球科技發展前沿、國民經濟產業發展及國家重大戰略需求，在基礎科學、關鍵技術、高精尖產業發展方面深耕細作，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、北京市科學技術委員會（以下簡稱“北京市科委”）聯合召開了“基礎研究、應用基礎研究重大創新成果”“高精尖重點領域重大技術創新成果”等多項新聞發布會，將全國科技創新中心建設5年以來取得的一系列基礎前沿及高精尖領域的重大創新成果集中對外亮相。其中，新材料領域無論在基礎前沿研究還是高精尖產業領域均有不俗表現。

原始創新投入大，前沿成果國際領先

據北京市科委副主任張光連在“基礎研究、應用基礎研究重大創新成果”新聞發布會上介紹，2018年北京科學研究與試驗發展（R&D）經費占地區生產總值（GDP）比重位居全國第1，其中基礎研究經費占R&D經費約15%左右。北京地區的國家重點實驗室等國家科技創新基地占全國1/3左右；已經運行、在建、擬建的國家重大科技基礎設施19個。截至2018年底，北京地區每萬人發明專利擁有量111.2件，位居全國第一；有69項成果獲2018年度國家科學技術獎，占全國通用項目獲獎總數的30.8%，連續3年獲國家自然科學獎一等獎；2018年度“中國科學十大進展”中，北京主導和參與的占據6項之多。在英國《自然》雜志增刊《2018自然指數—科研城市》對全球500個城市的評價顯示，北京蟬聯全球第1。

北京市集中了全國近1/3的科技資源，經過多年的布局和發展，新材料領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模化制備和裝備技術，以及我國科學家首次在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子作為新材料領域典型項目在此次發布會上被重磅推出。

石墨烯單晶晶圓的規模化制備和裝備技術

2004年，英國曼切斯特大學的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，石墨烯引發了全世界科學界和產業界的廣泛關注，鑒于其優異的物理化學性能，成為全球競爭的焦點。

但由于石墨烯的二維結構，大尺寸單晶制作難度大，一直以來是制約其工業化大規模發展的主要原因。北京大學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氣相沉積生長技術研發，經過十余年的發展，突破了諸多石墨烯制備關鍵技術，取得了重大突破。2017年，該團隊通過化學氣相沉積工藝的精準調控，實現了石墨烯多晶成核的取向一致，在國際上率先實現了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓的化學氣相沉積制備。之后，團隊又通過關鍵工藝研究，進一步實現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，該團隊還自主研發了石墨烯單晶晶圓批量制備裝備，實現了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設備年產能可達1萬片，在世界范圍內率先實現了石墨烯單晶晶圓的可規模化制備，為石墨烯高端電子、光電子器件應用奠定了材料基礎，提升了我國在石墨烯研究領域的國際影響力。

我國科學家首次在鐵基超導體中發現馬約拉納任意子

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

80余年來，關于馬約拉納費米子的研究一直是物理學最前沿的熱點之一。科學家一直在不斷尋找相關的實驗證據。2018年3月，中國科學院物理研究所丁洪及國際合作團隊在《Science》上率先報道在鐵基超導體（FeTe0.55Se0.45，Tc=15K）中發現超導拓撲表面態，為觀測馬約拉納任意子提供了研究平臺。隨后，中國科學院物理研究所、中國科學院大學高鴻鈞、丁洪聯合團隊利用自主設計、研制的超高真空—極低溫—強磁場—掃描隧道顯微鏡—分子束外延-低能電子衍射聯合系統，對高質量鐵基超導體展開了系列探索。2018年8月，團隊在《Science》發表發表了相關研究成果，首次報道了在位于鐵基超導體磁渦旋中心觀察到了束縛態即為馬約拉納任意子。研究表明，觀察到的馬約拉納束縛態具有純凈度高，6T以下磁場以及4K以下溫度能夠穩定存在，材料體系簡單等優點。

這是我國科學家在國際上首次在單一塊體超導材料中發現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，不容易受到其他準粒子的干擾，這也預示著在其他的多能帶高溫超導體里也可能存在馬約拉納任意子，為在相對高的溫度實現和操控馬約拉納束縛態提供了一個新的平臺，對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應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展新聞。

高精尖領域領跑北京產業發展

2017年12月26日，北京市政府向社會發布了包括《北京市加快科技創新發展新材料產業的指導意見》在內的10個高精尖產業指導意見，為北京市未來的產業發展重點劃定了重點和方向。在全市統一部署下，經過培育與發展，北京市在納米材料、第3代半導體材料等領域產業優勢已初現端倪。在“高精尖重點領域重大技術創新成果”新聞發布會上，4～6英寸高品質碳化硅單晶襯底產業化項目就是新材料領域的典型代表。

近年來，隨著5G通訊技術、智能電網、軌道交通、新能源汽車、消費電子等領域快速發展，市場上對具有更大禁帶寬度、更高熱導率的第3代半導體材料的需求與日俱增，在一些特定的領域，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，在這一領域我國產業整體水平略有滯后。第3代半導體材料是產業鏈上的關鍵環節，國內在產業上有所突破的企業不多。

成長于北京本地的北京天科合達半導體股份有限公司（簡稱“天科合達”）是國內較早開始專業從事碳化硅單晶襯底的研發和生產的國家級高新技術企業。經過十幾年的耕耘與發展，形成了集第3代半導體產業關鍵材料——碳化硅單晶生長、加工、檢測、清洗封裝等設施齊全的創新型碳化硅單晶襯底生產基地，突破國外對SiC單晶襯底產業化關鍵技術的封鎖，實現高質量4～6英寸SiC單晶襯底產業化關鍵技術自主可控，材料品質達到國際先進水平。與此同時，還實現了核心裝備和核心工藝的自主可控。天科合達團隊開發了具有自主知識產權的碳化硅單晶爐設備，相比國外設備，不僅具有更優異的性能，同時又具有更低的制造成本。基于自主研制的單晶爐設備，天科合達突破了碳化硅晶體缺陷控制、電阻率調控等關鍵工藝技術，掌握了碳化硅單晶襯底制備核心技術，目前已經全部實現產業化推廣應用。

隨著北京市在第3代半導體產業的廣泛布局，關鍵材料的自給自足將進一步推動北京市碳化硅外延、器件等相關的應用研究，帶動更多企業進入下游外延、器件和模塊的產業化，促進北京市形成完整的第3代半導體產業鏈，推動整個產業的良性發展。

相信隨著北京原始創新能力的進一步釋放，首都經濟將迎來下一個發展熱潮。