研究内容

1、零维量子点

零维的量子点晶体具有优异的光学性能和易于调控的带隙，是研究光与物质相互作用机制的重要低维体系。我们利用光化学和电化学方法实现了零维体系中的电荷密度和电场调控，并通过拉曼、吸收、荧光等一系列光谱学手段揭示了光激发过程中激子和声子行为及其电子与声子的相互作用机制。

图一电荷掺杂对量子点共振拉曼光谱的影响

得益于零维量子点高效的光吸收，量子点可与电输运性能优异的二维材料结合制备光电材料。我们利用拉曼光谱技术研究量子点与二维材料界面相互作用，筛选具有应用潜力零维-二维材料体系。随后，利用量子点作为光吸收层、二维半导体材料作为导电沟道，我们构筑了零维-二维光电探测器。通过改变量子点带隙和核壳能带排布，改变电子和空穴波函数的分布，调控低维异质结构中光生载流子的寿命，有望实现可见-近红外光电探测器的性能提升。

图二量子点/二维材料复合结构的界面机制与应用研究

2、一维有机半导体

一维有机半导体微纳材料是另一有望应用于传感探测的柔性材料。本课题组对于有机半导体的电荷掺杂及其电学性质进行了研究，采用最优化的电荷掺杂手段，并结合原位拉曼光谱学方法，研究有机半导体微观结构与电学性质之间的关系，并在超低温高压的极端环境下研究新的量子物态与相变。这对于有机半导体材料电荷输运理论模型的完善和有机半导体器件的优化设计具有非常重要的意义。

图一有机半导体材料的原位拉曼光谱分析

利用主客体共晶的方式生长出了可溶解聚合物和高质量的聚丁二炔类晶体，通过检测器其不同环境条件下的光吸收与电导变化，实现对金属离子和挥发性有机化合物的检测。

图二基于PIDA材料气体传感器及其性能

3、二维材料及器件

基于化学气相沉积法，关注石墨烯的制备效率、生产稳定性、产物质量调控等方面，研究开发高质量石墨烯的可靠制备方法。并通过对石墨烯量子霍尔效应的研究，尝试构建基于石墨烯的量子霍尔电阻标准，有望在更宽松的磁场、温度以及承载电流等条件下替代传统的砷化镓器件。

图一CVD二维材料制备系统及石墨烯霍尔bar器件

二维超导材料因其具有丰富的物理特性，除了在探索高温超导体方面具有较大的潜力外，还展现出了许多有趣且重要的物理现象，例如量子金属态、量子格里菲斯相变、BKT相变、Ising超导等。本课题组研究薄层2H-NbS₂中的超导电性以及NbSe₂-NbSe₂异质结中的超导约瑟夫森效应。

图二NbSe₂-NbSe₂约瑟夫森结及其低温I-V曲线

课题组用于量子霍尔、超导等物性研究的低温强磁场设备和技术可以用于低磁化率材料的研究，寻找磁化率低于10^-5的材料体系，同时满足密度、硬度、导电性、导热性等其他方面的要求，给出“天琴”计划检验质量最佳方案，服务于空间引力波探测研究。

图三天琴计划轨道及检验质量所在位置示意图

二维的过渡金属硫化物不同于石墨烯的金属特性，属于二维半导体材料，但表现出了传统半导体材料不具备的特殊性能。某些二维晶体表现出双极性行为，通过施加外部电场，可以实现二维晶体载流子在p型和ｎ型之间的动态调控。利用WSe₂的双极性行为，使用不同气氛的等离子体处理分别增强其n型行为和p型行为，有望形成二维晶体pn结，从而通过改变栅极电压实现主要载流子从空穴转向电子的转变。我们将利用此原理设计制备新的器件结构，改善和増强传统半导体器件的功能。