褚君浩院士研究團(tuán)隊繼續(xù)在紅外物理前沿不斷探索

摘要：褚君浩院士是我國著名半導(dǎo)體物理和器件專家，中國科學(xué)院院士，我國自己培養(yǎng)的第一位紅外物理學(xué)博士。他長期從事紅外光電子材料和器件研究，在窄禁帶半導(dǎo)體、非制冷紅外探測、太陽能電池和太赫茲物理、材料及器件等諸多紅外科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。近年來他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊繼續(xù)在紅外物理前沿不斷探索，做出新的創(chuàng)新成果，這些成果從原理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)到技術(shù)發(fā)明創(chuàng)新，都具有非常重要的意義。

褚君浩院士是我國著名半導(dǎo)體物理和器件專家，中國科學(xué)院院士，我國自己培養(yǎng)的第一位紅外物理學(xué)博士。褚院士長期從事紅外光電子材料和器件研究，在窄禁帶半導(dǎo)體、非制冷紅外探測、太陽能電池和太赫茲物理、材料及器件等諸多紅外科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

在窄禁帶半導(dǎo)體研究方面，他發(fā)現(xiàn)了窄禁帶半導(dǎo)體碲鎘汞帶間光躍遷本征吸收光譜，發(fā)展了碲鎘汞能帶結(jié)構(gòu)理論和光躍遷理論，提出碲鎘汞禁帶寬度、吸收系數(shù)、折射系數(shù)等多個有關(guān)碲鎘汞基本物理性質(zhì)的重要表達(dá)式。其中所提出的碲鎘汞禁帶寬度等關(guān)系式，被國際上稱為褚-徐-湯（CXT）表達(dá)式，獲得廣泛引用并認(rèn)為與實(shí)驗結(jié)果最符合。他建立了窄禁帶半導(dǎo)體表面二維電子氣子能帶結(jié)構(gòu)理論，解決了碲鎘汞薄膜材料和焦平面列陣器件研制中涉及的有關(guān)重要基礎(chǔ)問題，發(fā)展了碲鎘汞材料器件設(shè)計理論。在非制冷紅外探測研究方面，他先后開展了多種無機(jī)和有機(jī)材料的研究，突破了高性能PZT、BST、PVDF、MCNO等材料的制備，研制成功非制冷紅外探測器并實(shí)現(xiàn)了熱成像及在國家重大需求中的應(yīng)用。在太陽能電池研究方面，他開展了物理法提純太陽能等級多晶硅技術(shù)研究，探索薄膜太陽電池技術(shù)和物理。在太赫茲研究方面，他發(fā)現(xiàn)了基于電磁場誘導(dǎo)勢阱太赫茲探測新理論并制備出室溫高靈敏度太赫茲探測器件；他利用非線性光學(xué)差頻產(chǎn)生方法實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、頻率連續(xù)可調(diào)的太赫茲光。

褚院士的相關(guān)研究結(jié)果被美國依里諾依大學(xué)編入軟件包，被美國空軍研究實(shí)驗室、英國菲力浦研究實(shí)驗室等30多個單位作為紅外材料和相關(guān)理論及實(shí)驗研究的依據(jù)。有20項研究結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和關(guān)系式，被寫入國際權(quán)威科學(xué)手冊《Landoldt-Boerstein科學(xué)技術(shù)中的數(shù)據(jù)和函數(shù)關(guān)系》III/41B、III/44C 和III/44F卷（Springer出版社）。從1997年起，他被特邀為該書“含Hg化合物部分”修訂負(fù)責(zé)人。他的研究結(jié)果還被大段引入美國《固體光學(xué)常數(shù)手冊》、英國《窄禁帶鎘基化合物的性質(zhì)》、荷蘭《混晶半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)》、前蘇聯(lián)《半導(dǎo)體光譜和電子結(jié)構(gòu)》等8部著作。美國II-VI族材料物理與化學(xué)討論會前主席A.Sher評價：“他們現(xiàn)在不僅已經(jīng)趕上世界先進(jìn)水平，并且在一些方面走到了前面?！?/p>

2020年是褚院士從事學(xué)術(shù)研究42周年，他至今已在Nature子刊、Phys.Rev. Lett.、Adv. Mater.、NanoLett.、ACS Nano.等國際著名刊物發(fā)表論文1000余篇。出版《窄禁帶半導(dǎo)體物理學(xué)》（褚君浩著，科學(xué)出版社，2005年）、“Physics and Properties of Narrow Gap Semiconductor”（Junhao Chu & Arden Sher, Springer,2010）、“Devices Physics of Narrow Gap Semiconductor”（Junhao Chu & Arden Sher,Springer,2010）中英文專著3部，編著英文著作8部。他曾獲得國家自然科學(xué)獎3次、省部級科技進(jìn)步獎和自然科學(xué)獎10余次。

近年來他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊繼續(xù)在紅外物理前沿不斷探索，做出新的創(chuàng)新成果，這些成果從原理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)到技術(shù)發(fā)明創(chuàng)新，都具有非常重要的意義。

1發(fā)明新原理太赫茲探測器

褚君浩團(tuán)隊黃志明研究員等青年研究人員（圖1）發(fā)現(xiàn)一種新的光電導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)明了室溫工作的高性能THz探測器。THz是電磁波波譜中非常寬闊的波段，1THz振動頻率相當(dāng)于300微米波長，太赫茲波段一般指波長從30微米到3毫米左右的電磁波波段。在這個波段有許多物質(zhì)振動的特征光譜，對水分也特別靈敏。在安全檢測和特殊物質(zhì)檢測方面有重要應(yīng)用。然而，這個波段的探測器大都工作在深低溫，室溫工作的器件靈敏度很低。他們發(fā)現(xiàn)了一種新的光電導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)太赫茲光照射到金屬－半導(dǎo)體－金屬結(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率會增加，原來是由于太赫茲電磁波的電場誘發(fā)金屬－半導(dǎo)體界面的半導(dǎo)體一側(cè)形成一個勢阱，電荷就從金屬一側(cè)流向半導(dǎo)體，形成半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加。于是，這個金屬－半導(dǎo)體－金屬的結(jié)構(gòu)就成為一個太赫茲探測器，一旦感受到太赫茲電磁波，就會導(dǎo)致電導(dǎo)率增加（圖2）。這種探測器的靈敏度比現(xiàn)有的室溫工作太赫茲器件要高3個數(shù)量級。一開始這個半導(dǎo)體材料用碲鎘汞，后來發(fā)現(xiàn)其它半導(dǎo)體材料如InSb、InGaAs、Si等都可以做成室溫工作的太赫茲探測器。這項工作在國際著名的先進(jìn)材料雜志發(fā)表，引起國際上相當(dāng)重視。認(rèn)為“黃志明及其合作者提出實(shí)現(xiàn)優(yōu)異光電效應(yīng)的獨(dú)特原理（a unique theory），并從實(shí)驗上證明其對室溫太赫茲探測的極高靈敏性?！?/p>

圖1 褚君浩院士和同事、學(xué)生在實(shí)驗室一起討論工作

圖2 （a）金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)示意圖（b）反對稱電場（紅線）和勢阱eφ（綠線）沿x方向的變化曲線（c）限制在誘導(dǎo)勢阱中額外電子（藍(lán)點(diǎn)）沿z 軸方向的分布情況（綠線），紅色點(diǎn)為半導(dǎo)體本征載流子

2開辟極化場調(diào)控半導(dǎo)體光電器件新方向

褚君浩團(tuán)隊王建祿、孟祥建研究員等青年研究人員（圖3）開辟了鐵電極化場調(diào)控的半導(dǎo)體新型高靈敏寬光譜紅外探測器研究方向。發(fā)現(xiàn)對新型鐵電薄膜極化翻轉(zhuǎn)機(jī)理的認(rèn)識，設(shè)計了具有極陡峭亞閾值擺幅的場效應(yīng)晶體管，闡明了極化局域場及負(fù)電容效應(yīng)對光電響應(yīng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了高靈敏光電探測器件，器件探測率等關(guān)鍵指標(biāo)為同期國際同類器件報道最高水平。提出鐵電極化疇調(diào)控低維半導(dǎo)體載流子的新方法，闡明了極化誘導(dǎo)局域電場操控載流子的機(jī)制，構(gòu)建了多種高性能器件光電/電子功能原型器件，實(shí)現(xiàn)了高速高靈敏結(jié)型光電探測器，器件指標(biāo)達(dá)到國際同類器件報道最好水平。提出了熱釋電和光電導(dǎo)效應(yīng)協(xié)同作用的光電探測器，利用了低維半導(dǎo)體溝道讀出放大熱釋電電流，極化局域場抑制低維半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)暗電流，實(shí)現(xiàn)了從紫外至長波紅外（375 nm-10 μm）超寬譜段響應(yīng)室溫紅外探測器。研制的高靈敏熱釋電紅外探測器，已應(yīng)用于FY3（04）衛(wèi)星高光譜掃描儀載荷的光學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)和其它重要方面。運(yùn)用鐵電材料極化特性與半導(dǎo)體結(jié)合，構(gòu)建新機(jī)理光電探測器件的研究，在科學(xué)上很有意義，也為拓展鐵電極化材料和低維半導(dǎo)體在光電器件中應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。這方面的工作發(fā)表在國際著名期刊Nature Electronics ，Nature Communications，Advanced Materials，Advanced Science，Advanced Functional Materials，Small，ACS applied materials & interfaces，Applied Physics Letters，獲得國際學(xué)術(shù)界高度評價。

圖3 褚君浩和王建祿研究員

圖4 納米探針“畫筆”在鐵電材料“畫布”上“畫出”電子器件

3發(fā)展凝聚態(tài)光譜和多場耦合新技術(shù)

褚君浩團(tuán)隊胡志高教授等（圖5）面向新材料新器件前沿探索，發(fā)展了寬禁帶鐵電和半導(dǎo)體氧化物的凝聚態(tài)光譜新技術(shù)新理論，構(gòu)建了強(qiáng)磁場、深低溫、高壓等極端條件下從深紫外至太赫茲波段的透射/反射/偏振/熒光/拉曼/磁光等光譜測量平臺，發(fā)展了高靈敏橢圓偏振光譜方法，首次實(shí)現(xiàn)單分子薄膜等納米結(jié)構(gòu)的光譜學(xué)探測，獲得20余種重要氧化物功能材料光學(xué)常數(shù)，被國際上廣泛引用，用于器件設(shè)計（圖6）。胡志高教授等發(fā)展了固態(tài)光譜方法和理論，開辟了材料相變的光譜學(xué)研究新方向，發(fā)現(xiàn)多種氧化物功能材料以及它們在多相共存的準(zhǔn)同型相界的光電躍遷和結(jié)構(gòu)相變的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，建立了理論模型。發(fā)現(xiàn)若干新型二維材料的多場耦合新效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電解液下納米尺度成像新方法，發(fā)明原子級大尺寸高性能超薄膜制備方法，研制了國際上最高性能的SnS2基場效應(yīng)晶體管，開辟了壓光電多場耦合新材料新器件新方向。最近胡志高等青年研究人員在實(shí)用化掃描探針顯微技術(shù)電解液溶液下電學(xué)成像領(lǐng)域又取得一系列重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的高空間分辨、高靈敏度壓電力顯微鏡液下成像。該系列成果近來發(fā)表于《物理評論應(yīng)用》和《納米技術(shù)》。

圖5 褚君浩和學(xué)生胡志高教授在實(shí)驗室向外賓介紹工作

圖6 鐵電氧化物相變規(guī)律的光譜學(xué)研究

褚君浩院士的研究團(tuán)隊在紅外科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域不斷探索，許多杰出的青年科技人員在成長，為科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。