北京科技创新水平再创新高

文心

如今，北京的全国科技创新中心建设如火如荼。近年来，北京市将创新作为引领地方经济发展的源动力，紧紧围绕全球科技发展前沿、国民经济产业发展及国家重大战略需求，在基础科学、关键技术、高精尖产业发展方面深耕细作，形成了一系列的丰硕成果。

在2019北京科技周期间，由北京市人民政府新闻办公室、北京市科学技术委员会（以下简称“北京市科委”）联合召开了“基础研究、应用基础研究重大创新成果”“高精尖重点领域重大技术创新成果”等多项新闻发布会，将全国科技创新中心建设5年以来取得的一系列基礎前沿及高精尖领域的重大创新成果集中对外亮相。其中，新材料领域无论在基础前沿研究还是高精尖产业领域均有不俗表现。

原始创新投入大，前沿成果国际领先

据北京市科委副主任张光连在“基础研究、应用基础研究重大创新成果”新闻发布会上介绍，2018年北京科学研究与试验发展（R&D）经费占地区生产总值（GDP）比重位居全国第1，其中基础研究经费占R&D经费约15%左右。北京地区的国家重点实验室等国家科技创新基地占全国1/3左右；已经运行、在建、拟建的国家重大科技基础设施19个。截至2018年底，北京地区每万人发明专利拥有量111.2件，位居全国第一；有69项成果获2018年度国家科学技术奖，占全国通用项目获奖总数的30.8%，连续3年获国家自然科学奖一等奖；2018年度“中国科学十大进展”中，北京主导和参与的占据6项之多。在英国《自然》杂志增刊《2018自然指数—科研城市》对全球500个城市的评价显示，北京蝉联全球第1。

北京市集中了全国近1/3的科技资源，经过多年的布局和发展，新材料领域多项成果已位居世界前列。

在科技周上重点展示的石墨烯单晶晶圆的规模化制备和装备技术，以及我国科学家首次在铁基超导体中发现马约拉纳任意子作为新材料领域典型项目在此次发布会上被重磅推出。

石墨烯单晶晶圆的规模化制备和装备技术

2004年，英国曼切斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov采用物理剥离石墨的方法得到了单原子层厚度的石墨，也就是石墨烯。这种材料被实验验证真实存在，此后，石墨烯引发了全世界科学界和产业界的广泛关注，鉴于其优异的物理化学性能，成为全球竞争的焦点。

但由于石墨烯的二维结构，大尺寸单晶制作难度大，一直以来是制约其工业化大规模发展的主要原因。北京大学和北京石墨烯研究院的刘忠范院士—彭海琳教授课题组从2008年就开始从事石墨烯材料的化学气相沉积生长技术研发，经过十余年的发展，突破了诸多石墨烯制备关键技术，取得了重大突破。2017年，该团队通过化学气相沉积工艺的精准调控，实现了石墨烯多晶成核的取向一致，在国际上率先实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆的化学气相沉积制备。之后，团队又通过关键工艺研究，进一步实现4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备，将4英寸石墨烯单晶的生长时间从2h缩短到10min。

与此同时，该团队还自主研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备，实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备，为石墨烯高端电子、光电子器件应用奠定了材料基础，提升了我国在石墨烯研究领域的国际影响力。

我国科学家首次在铁基超导体中发现马约拉纳任意子

1937年，意大利理论物理学家Ettore Majorana预言了自旋为1/2的中性费米子，其反粒子是它本身，并认为是一种基本粒子。之后人们把这种神奇的粒子称为“马约拉纳费米子”，并猜测构成物质世界的基本粒子中的中微子有可能是马约拉纳费米子，但目前尚未得到实验上的证实。

80余年来，关于马约拉纳费米子的研究一直是物理学最前沿的热点之一。科学家一直在不断寻找相关的实验证据。2018年3月，中国科学院物理研究所丁洪及国际合作团队在《Science》上率先报道在铁基超导体（FeTe0.55Se0.45，Tc=15K）中发现超导拓扑表面态，为观测马约拉纳任意子提供了研究平台。随后，中国科学院物理研究所、中国科学院大学高鸿钧、丁洪联合团队利用自主设计、研制的超高真空—极低温—强磁场—扫描隧道显微镜—分子束外延-低能电子衍射联合系统，对高质量铁基超导体展开了系列探索。2018年8月，团队在《Science》发表发表了相关研究成果，首次报道了在位于铁基超导体磁涡旋中心观察到了束缚态即为马约拉纳任意子。研究表明，观察到的马约拉纳束缚态具有纯净度高，6T以下磁场以及4K以下温度能够稳定存在，材料体系简单等优点。

这是我国科学家在国际上首次在单一块体超导材料中发现高纯度的马约拉纳任意子，且该马约拉纳任意子能在相对高的温度下实现，不容易受到其他准粒子的干扰，这也预示着在其他的多能带高温超导体里也可能存在马约拉纳任意子，为在相对高的温度实现和操控马约拉纳束缚态提供了一个新的平台，对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义。2019年1月，该成果入选2018年度中国十大科技进展新闻。

高精尖领域领跑北京产业发展

2017年12月26日，北京市政府向社会发布了包括《北京市加快科技创新发展新材料产业的指导意见》在内的10个高精尖产业指导意见，为北京市未来的产业发展重点划定了重点和方向。在全市统一部署下，经过培育与发展，北京市在纳米材料、第3代半导体材料等领域产业优势已初现端倪。在“高精尖重点领域重大技术创新成果”新闻发布会上，4～6英寸高品质碳化硅单晶衬底产业化项目就是新材料领域的典型代表。

近年来，随着5G通讯技术、智能电网、轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域快速发展，市场上对具有更大禁带宽度、更高热导率的第3代半导体材料的需求与日俱增，在一些特定的领域，原有的硅基器件难以满足市场需求。而基于国外的长期布局，在这一领域我国产业整体水平略有滞后。第3代半导体材料是产业链上的关键环节，国内在产业上有所突破的企业不多。

成长于北京本地的北京天科合达半导体股份有限公司（简称“天科合达”）是国内较早开始专业从事碳化硅单晶衬底的研发和生产的国家级高新技术企业。经过十几年的耕耘与发展，形成了集第3代半导体产业关键材料——碳化硅单晶生长、加工、检测、清洗封装等设施齐全的创新型碳化硅单晶衬底生产基地，突破国外对SiC单晶衬底产业化关键技术的封锁，实现高质量4～6英寸SiC单晶衬底产业化关键技术自主可控，材料品质达到国际先进水平。与此同时，还实现了核心装备和核心工艺的自主可控。天科合达团队开发了具有自主知识产权的碳化硅单晶炉设备，相比国外设备，不仅具有更优异的性能，同时又具有更低的制造成本。基于自主研制的单晶炉设备，天科合达突破了碳化硅晶体缺陷控制、电阻率调控等关键工艺技术，掌握了碳化硅单晶衬底制备核心技术，目前已经全部实现产业化推广应用。

随着北京市在第3代半导体产业的广泛布局，关键材料的自给自足将进一步推动北京市碳化硅外延、器件等相关的应用研究，带动更多企业进入下游外延、器件和模块的产业化，促进北京市形成完整的第3代半导体产业链，推动整个产业的良性发展。

相信随着北京原始创新能力的进一步释放，首都经济将迎来下一个发展热潮。