人類早期對水晶的認(rèn)識

提到石英晶體，大家或許更習(xí)慣稱之為水晶，其主要成分是二氧化硅（SiO2）。眾所周知，地殼中蘊(yùn)含最豐富的兩種元素就是氧（O）和硅（Si），地球在漫長的46億年生命中，由于內(nèi)部應(yīng)力釋放產(chǎn)生的諸如地震、火山等各種地質(zhì)作用，部分硅的氧化物在溫度和壓力的作用下沉積結(jié)晶，形成水晶礦。純的水晶無色透明，很多天然水晶由于摻入了鐵、鋁、鈷、鈦等元素，呈現(xiàn)出各種各樣的美麗顏色。

多彩的水晶

早在距今2.8萬年前的山西峙峪遺址，出土過一件水晶制作的小石刀和一件由一面穿孔而成的石器裝飾品；距今8000年前紅山文化遺址中，除了水晶鑿、斧等工具外，還有水晶珠子、耳墜等物品。自春秋戰(zhàn)國時期開始，天然水晶作為寶石被賦予尊貴、吉祥、純潔等意義，各朝各代王公貴族把水晶制成各種飾物和擺件。

水晶飾物和擺件

石英晶體的工業(yè)化進(jìn)程和應(yīng)用

1880年，法國人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。1917年，皮埃爾居里（Pierre Curie）的學(xué)生、法國科學(xué)家朗之萬（Langevin）利用水晶的壓電效應(yīng)，制造了超聲波探測儀，軍事上用于探測潛水艇，拉開了石英晶體工業(yè)應(yīng)用研究序幕。第二次世界大戰(zhàn)中，石英晶體元件大量用于軍事無線電通訊設(shè)備，成為重要的戰(zhàn)略物資。

 Pierre Curie和壓電效應(yīng)

優(yōu)質(zhì)天然水晶資源稀缺，并富含多種雜質(zhì)，嚴(yán)重影響元器件性能，人造石英晶體的研究成為必然。事實上，最早期的人工培育開始于19世紀(jì)中葉，K.Schsfthaul為了研究地球內(nèi)部成礦機(jī)理，首次使用水熱法合成了石英微晶。二戰(zhàn)后，英、美、蘇、日和中國先后建立起人造石英晶體研究和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，人造石英晶體伴隨電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。

 天然石英礦和人造光學(xué)石英晶體

石英晶體具有很高的品質(zhì)因數(shù)（Q值）和良好的溫度頻率穩(wěn)定性，可制作選擇、控制頻率的晶振元件，憑借一只小小的石英晶振，就可以實現(xiàn)時間的精確控制。石英晶體濾波器是高端通訊器材的核心元器件，可以從嘈雜的無線電干擾信號中選擇出微弱的有用信號。

石英元件及其在主板上（無線接入點）的應(yīng)用

圖中黃色為芯片、紅色為石英晶振

在信息化時代，一切數(shù)字化設(shè)備都是按照“節(jié)拍”工作的，石英晶振提供的準(zhǔn)確時鐘信號，正是這一切的基礎(chǔ)。從高科技的航空航天，到遍布全社會的各種自動化設(shè)備，再到每個家庭的各種電子產(chǎn)品中，都有一個或多個晶振在默默無聞地工作著。

石英晶體的應(yīng)用

石英晶體還具有透光范圍寬（170nm-2500nm）、光學(xué)均勻性好、透過率高等優(yōu)異的光學(xué)特性，可制作紫外窗口、光學(xué)波片、旋光片、光學(xué)低通濾波片等光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于高清攝像、光學(xué)儀器和光纖通訊等領(lǐng)域。

光學(xué)低通濾波片（OLPF）

中國建材人造石英晶體的發(fā)展

中國建材集團(tuán)所屬中材人工晶體研究院是國內(nèi)最早一批開展人造石英晶體研究的單位，是我國第一塊人造石英晶體的誕生地。晶體院利用國庫優(yōu)質(zhì)天然水晶作為晶種，模擬天然水晶成礦機(jī)理，研究和開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石英晶體生長工藝。

 優(yōu)質(zhì)天然晶種和獲獎證書  

晶體院承擔(dān)了多個國家軍工配套項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、科技部高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目等一大批重要研究課題，為國家重大工程、裝備提供了高品質(zhì)的石英晶體。先后獲得了國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎、制修訂多項國標(biāo)和國軍標(biāo)，形成了大尺寸、高品質(zhì)、耐輻照和品種全等特點的四大類高品質(zhì)人造石英晶體：

四大類人造石英晶體

1. 面向航空航天領(lǐng)域通訊模塊的耐輻照石英晶體。

2. 面向5G、人工智能領(lǐng)域的小型、高頻、高精、高穩(wěn)、低損耗晶振元件的低腐蝕隧道密度石英晶體。

3. 面向光纖通訊、高精密儀器的光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域高透過率、高均勻性光學(xué)石英晶體。

4. 面向特殊領(lǐng)域的大尺寸、高功率激光窗口的大尺寸光學(xué)石英晶體。

 人工晶體研究院石英晶體產(chǎn)品

隨著我國新基建布局的快速展開，電子元件向著小型、高頻、高精、高穩(wěn)、低功耗方向快速發(fā)展，高純度、低缺陷的石英晶體將迎來新的更大的發(fā)展機(jī)遇，人們的物質(zhì)文化生活也將因它而變得更加美好。