石万全:激光与固体相互作用实验室保卫战

  • 陈希
  • 日期:2025-04-02
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  首先,是科大和研究生院的关系,科大是我的根,研究生院是我的魂。1977年,国家公开宣布中国科技大学研究生院成立。但在研究生院成立之前早就有酝酿。开始,科大那边准备派以杨秀清作为带头人,来京筹建研究生院。但是,后来科学院突然决定派另一批人,从科学院的角度,选了一批人组成研究生院的领导班子,就把科大给甩掉了,所以原来那些人都没到北京来。

 

  后来这个班子,我当时了解到有钱志道、李侠,具体办事的是刘军。正式分工以后,又来了马西林,他来担任党的领导小组组长,钱志道、秦穆伯、彭平他们几个是副组长。后来又调来了党校的张学彦,任副书记。还调来马大猷,原声学所副所长,也是科学院院士,他任研究生院副院长。中国科学院委派了马西林等组成的新领导班子,马西林见到我后,直接委派我负责筹建物理教研室,并明确指出,研究生院是中国科学院研究生院。

 

  我刚来研究生院报到的时候,其他人还没来。我去报到是在教育局,那时候研究生院还没有具体的办公地点。我去的那一天,科学院三里河的五楼那有个教室刚腾出来,他们正在那里打扫,然后往那边搬东西。都是些什么人呢?就是最早报到的那些人,北大毕业的工农兵学员,分到这边来的,比方说孙德全、林秋雁都属于那批人。我报到是到科学院教育局找马先一,我不知道他是处长还是副处长,反正他是具体坐班的,他让我先在科大招生。因为从合肥到北京之前,当时科大的党委书记武汝扬给我下了死命令说:“你啊,必须把科大的招生搞好!北京、天津、内蒙,负责三个地方,你必须搞好,不搞好的话,档案都不给你调走。”就是说,我必须先把这个事办完了,才能到研究生院上班。所以,我到科学院报到的时候,就跟教育局马先一说了这个情况,马先一说还得请示教育局局长。教育局局长张莫棠当时同意了这个要求。

 

  那一年是文革后第一年招生,比较特殊,是春季招生。那时候招生,各个地区的时间不一样,是错开的,每个地区自己决定考试时间。北京、天津、内蒙的时间不一样,所以有先后次序,最早是在北京,然后是天津,最后到内蒙。当时这三个地区好像都还以为科大还在北京,而且科大那时候的名声已经很高了,已经在清华北大之前了,所以,招生的时候就让科大先提档。这三个地区无一例外,清华北大他们气得直跺脚。我们选完了以后,他们才提档。当时科大的状态,还是靠原先在北京的名声,所以要先提档。当时要求尽量选年轻的。各个地区还比较支持,所以还比较顺利。

 

  我招生完以后,研究生院已经确定在林学院。林学院的林业楼来作为教室,然后,礼堂也可以用作大教室,也可以在那洗澡。因为林学院下迁到云南的西双版纳去了,后来要求回迁。当时是科学院基本上占着林学院的,半导体所占一大部分,环境化学所也占一部分,研究大楼都建好了,也在建宿舍。在林学院后边的苗圃,那个地方建的环化所,林学院的食堂好像都归环化所管。所以,我们在吃饭和洗澡都可以到那去。当时的话,房子不够用,林业大楼上面几层用作学生宿舍,下面几层是作实验室和各种办公室,教研室的办公室也在下边。

 

  建校初期的时候,我们开始建实验室。李政道还没来之前,我们就已经开始着手建实验室了。美籍华人科学家张立纲教授是从日本参加国际会议后要回美国,路过北京的时候,我们请他做学术报告。当时比较热门的是搞激光退火,半导体的工艺激光退火。原来一般退火都是高温热退火,一千多度,30分钟左右,但是退火以后,注入的杂质会往里边扩散。但是用激光退火,用激光束来扫描,就可以把它接近于熔化,在毫秒时间内把注入区这个混乱的晶格,都变成了有序的。退火以后,它的杂质没有怎么往里边扩散,所以这个 P-N 结可以做比较陡的结,这个是很陡的结,而这个就可以做一些比较特殊的器件,比方说雪崩二极管。

 

  后来他做完报告以后,我们就商量决定建立激光与固体相互作用实验室,那时候有姚德成、朱美芳、李名复等人。当时,我们在林学院的一层准备建实验室,所以我们就开始买设备。国内那时候没有现成的退火设备,用高能量的激光来扫描注入区。所以我们到处打听,最后找到了北京的706 厂,那有他们自己研制的激光划片机,但是这个没市场,当时划片机还不算太成熟。正好它的主要设计人是科大毕业的,叫贺令渝,技术上他比较好。后来我们就把这个设备给它改造一下。因为划片机的话,就是把激光束聚焦以后,能量非常高,就可以把硅片划开一条很深的沟, 然后稍微一用力就掰开了,可以分成许多小片。买了这个设备以后,就开始做实验,拿离子注入后的硅片用激光束扫描。扫描以后还要看有没有恢复,所以要用双目立体显微镜来观察晶格退火有没有成功。所以当时我们就找中国科学院管器材的叫顾国胜,也是科大的,他是那的负责人,他就介绍我们到科学院的仪器公司。那儿的负责人叫杨睦生,也是科大的。我说,你这有没有比较好的显微镜?他说刚好有,是德国进口的双目立体显微镜。很难得的!

 

  所以那个设备我们就买来了,激光退火以后就用双目立体显微镜来观察。当时这个激光退火 呢,我们有分工。因为当时有两个不同方向,一个是要用细的激光束来扫描;另一个是激光退火 要用脉冲染料激光器。脉冲染料激光器能量也比较高,但是它能瞬间放电,然后激发激光,就是脉冲激光,然后高能量下就把硅片加到高温,然后晶格恢复。我们分成两个组,划片机这块是朱 美芳具体来操作,然后脉冲激光是姚德成和刘世祥负责。我那时候就到处给他们跑腿儿。去买设备时,我们大部分人都去,买了以后设备基本有了。另外也要买其他设备,比方说超净操作台。因为做硅片的扩散什么的,还得清洗干净了,操作必须在超净操作台。这个操作台我们也买了,所以当时基本上具备了研究的工作条件。

 

  当时用划片机来做退火设备,最早做成功的是有一次,我印象非常清楚。有一天,朱美芳在 那操作,退火以后用双目立体显微镜观察,哎,变色了!就是颜色变暗了。原来是比较亮的、灰的,后来变得发黑了。行!所以当时就非常高兴。这个机器扫描完以后位置可以调,重叠以后才能整片退火,大面积的才能做成器件,不然光那么一条线不管用,所以要做成比较大的片,现在叫芯片了。

 

  做完以后,就准备做厘米波段的雪崩管。雪崩管,也叫雪崩二级管,是做雷达的信号源。邮电部的邮电科学科学院,他们是做常规工艺的雪崩管。他们那里做成了,所以我们就和他们合作,做厘米波段的脉冲激光退火的雪崩二级管。我们做成功了,后来就发表了文章。那文章是我写的,投稿到《半导体学报》。当时有个署名的问题,谁署第一,谁署第二呢?我就把朱美芳署在第一位,姚德成和刘世祥是第二和第三,我最后一个。第一篇文章就是这么来的。

 

  后来这个设备又做成了毫米波段的雪崩管,毫米波段的雪崩管是毫米波段雷达的信号源。当 时中国科学院的半导体所下面的一个研究室,他们已经从常规的热工艺,做成了毫米波段的雪崩管,我们就找他们合作。我找了具体做雪崩管的负责人,叫刘衍芳,和他们合作。我们激光退火完的片子,就给他们来做这个雪崩管。他们也做成了。这样,我们就成功地做成了毫米波段的雪崩二极管。这篇文章是半导体所发的,他们署名在前面,我们署名在后面,好像是在一个全国性会议上发表的。这是比较成功的一个案例。

 

  另外,那个脉冲激光器是物理所许祖彦院士(当时还不是院士)他们自己研制成的。许祖彦是干活不要命的,后来评上了工程院院士。他和我们是老同学,我们都是科大第一届的毕业生。他非常能干,不怕吃苦,昼夜地干,凡是跟他一起工作的后来都发怵了。后来我到他的实验室了解情况,他那个设备还行,就把它买来了。那个设备比较大,也比较重,所以必须建一个水泥台。水泥台建好以后,再把激光器放在水泥台上。水泥台还要挖地线,因为激光器用的电是高压,用万伏以上的电压来激发强光灯,激发它瞬间放电,还有一个大的电容器,用来放电的。当时要拿手来控制,设备本身是高电压的,所以还比较危险。但是也无所谓了,要干实验就应该要有这个思想准备。当时做了实验,用双目立体显微镜观察,退火也成功了。后来又用来和半导体所合作。他们当时也做了个器件,也成功了,在《半导体学报》上发表了文章。文章的署名是谢宗钧,还有一个是黄乐斌,他们把我们研究生院这几个人放在后边,把我放在第一个,然后是姚德成、刘世祥。后来他们拿给我看,问我同意不同意。我说,这个不合适吧,你把姚德成放在前边,把我放在最后。反正我比较无所谓,因为当时主要是做出成绩来了。谢宗钧后来改行去卖半导体激光器了,黄乐斌后来到香港去了。所以,我们当时在这两方面都做出了一些东西来,实验室基本建设成功,而且有成绩了。

 

  这个时候,中间有个插曲,就是林学院要搬回来。林学院搬回来以后,当时教育部给他们定的是在西山建校,西山就是在香山附近,他们在香山那也有一个植物园,在那建校。林学院不想 去香山那边,因为原来这个地方多好,在城里面,又在中关村附近。他们的党委书记就鼓动学生来闯林业楼,也就是研究生院的办公大楼。他们在一天晚上冲击办公大楼,包括教室和实验室。

 

  那个时候还没多少实验室,我们算是比较早建的。第二天我来上班,一开门,看到实验室的门已经被撬开了,把双目立体显微镜从里面搬出来了,放在门口,其他设备他们没敢动,学生们还是有些分寸的。后来我们直接把它搬回去了。当时学校的一些机关就有点紧张了,包括一些住在那儿的人,李毓昌好像就住在楼上。冲击以后,林学院的党委书记就被贬职到河南省林业学校。结果后来这个党委书记退休了,也不去河南了,就待在北京养老。当时林学院的教职工还特别佩服,特别感谢这位党委书记。

 

  冲突发生以后,因为当时咱们这里有外国人,有外籍教师在在楼上住。结果美国《美国之音》那边直接就报道了,所以就变成了一件大事。后来中央就赶快派一位秘书长来处理这个事情。林学院就说,你们自己在玉泉路还有地方呢,为什么要占我们的地方?就这样,后来国务院就拍板,把研究生院搬到玉泉路。当时党委的负责人张新铭、副书记张学彦就积极行动,督促大家全部搬到玉泉路去,我们的实验室也得搬走。当时,张新铭老找我,张学彦也到实验室找我,让我搬到玉泉路去。而且,林学院当时的行政处长(后来担任副院长)也催我赶快搬走。

 

  所以,当时面临着保卫我们实验室的问题,我称之为“实验室保卫战”。我们自己的领导张新铭、张学彦是党的负责人啊,咱也不能硬扛,所以我就躲着他们。他们一上实验室,我们就到别的地方去干事。那个时候,钱志道都没露面,他是支持建实验室的。当时,我们抱着一线希望, 想和林学院的物理教研室合作做科研,借这个名义留在林学院。要是搬到玉泉路的话,去了没地方,到处破破烂烂的,去了以后设备就得堆在仓库里,就没用了,实验室就等于丢了。所以,我就想办法找他们物理教研室的负责人,一个主任,一个副主任。那个男的主任还好说,那个女的副主任坚决要把研究生院赶走。那个主任还行,我就跟他说我们一起合作搞研究,我给他出了个主意,我们做激光退火,你们的种子也可以退火呀对吧?你用激光来照射植物种子,然后种下去,看看有没有效果。他很高兴,就拿着他们的油松子来我们实验室做实验。那个脉冲激光器的面积比较大,可以同时照好多种子。他们在半导体所前边有一块空地,就把油松种在那了。有一天,我到他那边去看看,他正在给油松的小树苗锄地。我问他这个实验的效果怎么样呢?他说可以啊,油松经过激光照射以后比别的地方长的好,于是我也很高兴。

 

  但是呢,因为研究生院退出这个楼以后,他们要进行整体的装修,他们后面要用,所以要重 新弄。林学院的行政处长就催我一定要搬走,那个物理教研室的女副主任也坚决要把我们赶走。我说那实在不行,咱们就搞个妥协吧。那个林学院的行政处长,后来的副院长,跟我说,研究生院的后勤办公室,就在林业楼的东南角一片树林里边。后勤办公室在那有一间砖房,旁边有活动板房,周围还有铁丝网围着。你们干脆搬到那儿去,怎么样?我说搬到那也可以,但是那里的水电暖不行,不符合实验室的要求。我说你必须要把这水电暖气都给装好,装好以后我们再搬。他同意了。林学院的领导还真说话算数,他说你们拿出装水电和暖气的图纸,有什么要求都提出来,提出来以后,他们再进行施工。他说一个月就建好,建好以后,实验室也可以了,你们就可以搬走。他们真是说话算话,非常快,包括大功率的接线板,他们很快就把我们的要求都弄好。而且砖房那个门冬天的风比较大,我们就在那设计了一个门房,来一个空间拐弯,到这个就向东。这样的话,保证我们冬天不受外边冷空气的影响。他这个也做了,也砌了一道墙,然后又弄了一个门来改变方向。水电装好了,暖气整个都排满了,这样冬天还挺暖和的。等都弄好了,我看那行,我们就搬吧。这样我们就搬出来了,搬到铁丝网那边,我们戏称“战略村”。越南那不是搞那战略村嘛?我们也搞了个战略村。我们几个就一直窝在那个地方上班。

 

  当时水泥台已经建好了,把脉冲激光器放在上面,划片机也放在另外一个地方。划片机需要通水,因为激光器是用Nd:YAG 激光棒,是用强卤钨灯光照射激光棒,激发出激光,激光棒需 要通自来水冷却,冷却水管需用虑紫外玻璃,加电压以后,就发出连续激光,是这么个原理。所以对水压有一定的要求。电呢,是从林业楼那拉过来,用同轴电缆直接拉到实验室砖房的门脸,门脸那有总的控制开关。所以条件还可以。那个房间大概有六七十平米,隔壁还有一个小房间,后勤的一位同志因为生病,一直在那住。他在那住,我们就只能在这个大的房间里工作。因为我 们当时在大楼里有空调,把这空调也都弄过去了,还有祛湿机,因为他那上面都是树,阳光照的少,房间里湿度特别大。所以我们天天都用空调,来保持冬暖夏凉,然后还专门有个祛湿机。那个屋子里,短时间就有一大盆水,湿度特别大。反正就只能凑合在那工作了。激光退火我们做的比较好,那个时候有不少全国性学术会议,我们也经常交流。

 

  后来在激光退火的基础上,我就考虑能不能进一步发展,搞大面积的退火,用强灯光退火,空腔里面装好多卤钨灯,给卤钨灯通电发光,发强光,这强光强到可以达到退火的温度。我们教材里讲脉冲白光快速退火,不是激光了,造价低,而且是大面积的,不用一条线一条线地扫了,个得需要很长时间。后来脉冲白光快速退火设备也是请706 厂的贺令渝来设计,他设计成功了,我们就把他那个设备买来了。这个项目出来以后,我们就提出申请国家自然科学基金,后来申请成功了。那个时候,咱们国家科学技术界也有问题,都是拉帮结派。我们这个项目提上去以后,有些单位就觉得没那么好。后来,半导体所梁骏吾院士看到我们这个题目非常高兴,认为这个东西有前途,在他的力主下,国家自然科学基金委员会就批准了我们的项目。批准以后,我们就做实验,用脉冲白光快速退火设备来做实验,这就是脉冲白光诱导扩散,在硅片上刷上一层杂质胶,用甩胶机把胶甩均匀了,把它拿到脉冲白光诱导扩散的设备里,用强光照射几秒钟,把杂质扩散到硅片里面去。这个实验反复做了很多次,最后也做成功了。具体的温度和时间的掌控,硅片的杂质分布情况,这些你都得要用数据说话。

 

  我当时有一个研究生叫侯清润,就是专门做脉冲白光诱导扩散的这个题目。侯清润和付正清他们毕业的时候给我送来这么个纪念品。侯清润当时集中精力来做这个事,效果还是比较好的。因为前一阶段我们用激光退火来做,不管是脉冲的还是连续的,在这个基础上,我们进行推理,看能不能用大面积白光来进行诱导扩散。侯清润具体做这件事,全都是要做实验,用数据说话,这是比较成功的。

 

  这个实验室,我们在林学院一直坚持下去。开始的时候,柳雪君还没来,她是后面来的。其他老同志都出国了,比如姚德成、李名复,还有朱美芳。所以我们实验室就是刘世祥和我,然后就是北大毕业的孙德全。还有原来研究生处的孙景才,他是刚建校管研究生的,毕业于空军导弹学院,原来是军人,也到我们实验室了,后来调走了。孙德全后来也调走了,是党委书记找我要他到人事处当副处长,我很支持,就让孙德全到她那去了。孙景才后来调到中关村研究生院宿舍管后勤这一块,当时在中关村的 88号楼,负责管理研究生。后来柳雪君就来了。所以我们这个实验室坚持到底也不容易。

 

  我们这个实验室,后来有超导热,高温超导,即研究液氮温区超导体。当时我和化学部的柴璋教授最早在超导体刚兴起的时候,我们化学和物理两个教研室就联合成立一个实验室。化学研 究室的柴璋老师主要是用化学方法研制超导粉末材料,我们是用物理的方法,把不同的化合物配 在一起来烧制成液氮温区超导体。这个我们都做成功了,在科学院也挂号了,叫科学院理化局超 导办公室,算是联合的一个课题组,当时的超导办公室主任是李满园。我们经常在一起开会,詹文山是理化局的副局长,主持这方面的工作,他后来是中国科学院理化技术所的所长,后来很不幸78岁的时候去世了。他也是我的同学,科大58级的。他在科学院当副局长的时候,也是理化所的所长,领导超导研究。柴璋是用化学方法,我是用固体粉料来加工,当时我们经常讨论,他非 常谦虚。我那时候住林学院,他住中关村,他经常跑到我家去跟我们讨论很长时间,我有时候也 去到他的实验室。我们的合作还是非常好的。当时在北京举行了一个超导国际会议,各个国家都来参加,而且会上都是用英文。当时我的英文不算太好,我们商量就我上去发言。我们做实验发现一个现象:我们实验室当时有个测温装置,测液氮温区,往液氮放超导体的时候,测电阻率随  温度的变化曲线,刚开始超导体的电阻率比较高,然后在液氮温区突然下降,一直到零。这个做成功以后,我们发现这个曲线是半导体的形式,不是金属形式的,电阻率到零,钇-铜-氧化合物,变成空穴型半导体,然后变成超导体,这么一个过程。当时我就提出一个观点,超导体原来有一个理论,就是为什么能超导,叫BCS理论,由 P型半导体变成超导体,空穴导电的就变成了这个超导体。我回溯这个过程认为是空穴对导电,不是电子对导电,BCS理论是电子对导电。我就把这个概念移过来,变成空穴对导电,当时那个题目就是超导体的空穴对导电。我关于这个概念在会上的发言,影响也非常好,柴璋也非常支持我,他非常高兴。当时外国人提问都是用英语,我反应不过来,所以就委托物理所的杨乾声,他也是我的老同学,他给我推荐了旁边一个南京大学的教授给我即时翻译,把英文翻译成中文,然后我再用英文回答。后来,超导方面以柴璋为主,我们做了一个专利。他们用化学方法做的超导粉料,把它压制成一个筒形超导体,一端封死,然后另一端是空的,因这个东西有抗磁性,形成磁屏蔽。当时我和柴璋专门去东郊一个医院看一个强磁场的设备,那个设备怎么把磁场给屏蔽掉,用那种粉料加工以后,设备里边就没有磁场,形成磁屏蔽了。这个东西后来成功了。后来我们到物理所进行测试,这个只有物理所才能测,我们还测不了。他们把探测设备弄到管状物体里面来测磁场,那么最后磁场为零,超导磁屏蔽这个设备成功了。在高温超导领域,我培养了付正清和欧文两名研究生。

 

  我们激光与固体相互作用实验室一直坚持到林学院主楼建成后要清理主楼前一切临时性建筑,我们不得不到中国科学院半导体研究所请林兰英院士帮忙,在半导体所2号楼4层找到一个实验室,这个实验室我们一直坚持到玉泉路教学大楼建成。