褚君浩院士研究团队继续在红外物理前沿不断探索

摘要：褚君浩院士是我国著名半导体物理和器件专家，中国科学院院士，我国自己培养的第一位红外物理学博士。他长期从事红外光电子材料和器件研究，在窄禁带半导体、非制冷红外探测、太阳能电池和太赫兹物理、材料及器件等诸多红外科学技术领域做出贡献。近年来他带领的研究团队继续在红外物理前沿不断探索，做出新的创新成果，这些成果从原理规律的发现到技术发明创新，都具有非常重要的意义。

褚君浩院士是我国著名半导体物理和器件专家，中国科学院院士，我国自己培养的第一位红外物理学博士。褚院士长期从事红外光电子材料和器件研究，在窄禁带半导体、非制冷红外探测、太阳能电池和太赫兹物理、材料及器件等诸多红外科学技术领域做出贡献。

在窄禁带半导体研究方面，他发现了窄禁带半导体碲镉汞带间光跃迁本征吸收光谱，发展了碲镉汞能带结构理论和光跃迁理论，提出碲镉汞禁带宽度、吸收系数、折射系数等多个有关碲镉汞基本物理性质的重要表达式。其中所提出的碲镉汞禁带宽度等关系式，被国际上称为褚-徐-汤（CXT）表达式，获得广泛引用并认为与实验结果最符合。他建立了窄禁带半导体表面二维电子气子能带结构理论，解决了碲镉汞薄膜材料和焦平面列阵器件研制中涉及的有关重要基础问题，发展了碲镉汞材料器件设计理论。在非制冷红外探测研究方面，他先后开展了多种无机和有机材料的研究，突破了高性能PZT、BST、PVDF、MCNO等材料的制备，研制成功非制冷红外探测器并实现了热成像及在国家重大需求中的应用。在太阳能电池研究方面，他开展了物理法提纯太阳能等级多晶硅技术研究，探索薄膜太阳电池技术和物理。在太赫兹研究方面，他发现了基于电磁场诱导势阱太赫兹探测新理论并制备出室温高灵敏度太赫兹探测器件；他利用非线性光学差频产生方法实现高功率、窄线宽、频率连续可调的太赫兹光。

褚院士的相关研究结果被美国依里诺依大学编入软件包，被美国空军研究实验室、英国菲力浦研究实验室等30多个单位作为红外材料和相关理论及实验研究的依据。有20项研究结果作为标准数据和关系式，被写入国际权威科学手册《Landoldt-Boerstein科学技术中的数据和函数关系》III/41B、III/44C 和III/44F卷（Springer出版社）。从1997年起，他被特邀为该书“含Hg化合物部分”修订负责人。他的研究结果还被大段引入美国《固体光学常数手册》、英国《窄禁带镉基化合物的性质》、荷兰《混晶半导体光学性质》、前苏联《半导体光谱和电子结构》等8部著作。美国II-VI族材料物理与化学讨论会前主席A.Sher评价：“他们现在不仅已经赶上世界先进水平，并且在一些方面走到了前面。”

2020年是褚院士从事学术研究42周年，他至今已在Nature子刊、Phys.Rev. Lett.、Adv. Mater.、NanoLett.、ACS Nano.等国际著名刊物发表论文1000余篇。出版《窄禁带半导体物理学》（褚君浩著，科学出版社，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）中英文专著3部，编著英文著作8部。他曾获得国家自然科学奖3次、省部级科技进步奖和自然科学奖10余次。

近年来他带领的研究团队继续在红外物理前沿不断探索，做出新的创新成果，这些成果从原理规律的发现到技术发明创新，都具有非常重要的意义。

1发明新原理太赫兹探测器

褚君浩团队黄志明研究员等青年研究人员（图1）发现一种新的光电导现象，发明了室温工作的高性能THz探测器。THz是电磁波波谱中非常宽阔的波段，1THz振动频率相当于300微米波长，太赫兹波段一般指波长从30微米到3毫米左右的电磁波波段。在这个波段有许多物质振动的特征光谱，对水分也特别灵敏。在安全检测和特殊物质检测方面有重要应用。然而，这个波段的探测器大都工作在深低温，室温工作的器件灵敏度很低。他们发现了一种新的光电导现象，发现当太赫兹光照射到金属－半导体－金属结构上，半导体的电导率会增加，原来是由于太赫兹电磁波的电场诱发金属－半导体界面的半导体一侧形成一个势阱，电荷就从金属一侧流向半导体，形成半导体电导率的增加。于是，这个金属－半导体－金属的结构就成为一个太赫兹探测器，一旦感受到太赫兹电磁波，就会导致电导率增加（图2）。这种探测器的灵敏度比现有的室温工作太赫兹器件要高3个数量级。一开始这个半导体材料用碲镉汞，后来发现其它半导体材料如InSb、InGaAs、Si等都可以做成室温工作的太赫兹探测器。这项工作在国际著名的先进材料杂志发表，引起国际上相当重视。认为“黄志明及其合作者提出实现优异光电效应的独特原理（a unique theory），并从实验上证明其对室温太赫兹探测的极高灵敏性。”

图1 褚君浩院士和同事、学生在实验室一起讨论工作

图2 （a）金属-半导体-金属（MSM）结构示意图（b）反对称电场（红线）和势阱eφ（绿线）沿x方向的变化曲线（c）限制在诱导势阱中额外电子（蓝点）沿z 轴方向的分布情况（绿线），红色点为半导体本征载流子

2开辟极化场调控半导体光电器件新方向

褚君浩团队王建禄、孟祥建研究员等青年研究人员（图3）开辟了铁电极化场调控的半导体新型高灵敏宽光谱红外探测器研究方向。发现对新型铁电薄膜极化翻转机理的认识，设计了具有极陡峭亚阈值摆幅的场效应晶体管，阐明了极化局域场及负电容效应对光电响应的影响规律，实现了高灵敏光电探测器件，器件探测率等关键指标为同期国际同类器件报道最高水平。提出铁电极化畴调控低维半导体载流子的新方法，阐明了极化诱导局域电场操控载流子的机制，构建了多种高性能器件光电/电子功能原型器件，实现了高速高灵敏结型光电探测器，器件指标达到国际同类器件报道最好水平。提出了热释电和光电导效应协同作用的光电探测器，利用了低维半导体沟道读出放大热释电电流，极化局域场抑制低维半导体光电导效应暗电流，实现了从紫外至长波红外（375 nm-10 μm）超宽谱段响应室温红外探测器。研制的高灵敏热释电红外探测器，已应用于FY3（04）卫星高光谱扫描仪载荷的光学校准系统和其它重要方面。运用铁电材料极化特性与半导体结合，构建新机理光电探测器件的研究，在科学上很有意义，也为拓展铁电极化材料和低维半导体在光电器件中应用提供了科学依据和技术基础。这方面的工作发表在国际著名期刊Nature Electronics ，Nature Communications，Advanced Materials，Advanced Science，Advanced Functional Materials，Small，ACS applied materials & interfaces，Applied Physics Letters，获得国际学术界高度评价。

图3 褚君浩和王建禄研究员

图4 纳米探针“画笔”在铁电材料“画布”上“画出”电子器件

3发展凝聚态光谱和多场耦合新技术

褚君浩团队胡志高教授等（图5）面向新材料新器件前沿探索，发展了宽禁带铁电和半导体氧化物的凝聚态光谱新技术新理论，构建了强磁场、深低温、高压等极端条件下从深紫外至太赫兹波段的透射/反射/偏振/荧光/拉曼/磁光等光谱测量平台，发展了高灵敏椭圆偏振光谱方法，首次实现单分子薄膜等纳米结构的光谱学探测，获得20余种重要氧化物功能材料光学常数，被国际上广泛引用，用于器件设计（图6）。胡志高教授等发展了固态光谱方法和理论，开辟了材料相变的光谱学研究新方向，发现多种氧化物功能材料以及它们在多相共存的准同型相界的光电跃迁和结构相变的关联性规律，建立了理论模型。发现若干新型二维材料的多场耦合新效应，实现电解液下纳米尺度成像新方法，发明原子级大尺寸高性能超薄膜制备方法，研制了国际上最高性能的SnS2基场效应晶体管，开辟了压光电多场耦合新材料新器件新方向。最近胡志高等青年研究人员在实用化扫描探针显微技术电解液溶液下电学成像领域又取得一系列重要进展，实现了稳定可靠的高空间分辨、高灵敏度压电力显微镜液下成像。该系列成果近来发表于《物理评论应用》和《纳米技术》。

图5 褚君浩和学生胡志高教授在实验室向外宾介绍工作

图6 铁电氧化物相变规律的光谱学研究

褚君浩院士的研究团队在红外科学与技术领域不断探索，许多杰出的青年科技人员在成长，为科学技术发展做出贡献。