摘要：褚君浩院士是我國著名半導體物理和器件專家，中國科學院院士，我國自己培養(yǎng)的第一位紅外物理學博士。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技術領域做出貢獻。近年來他帶領的研究團隊繼續(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體物理和器件專家，中國科學院院士，我國自己培養(yǎng)的第一位紅外物理學博士。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技術領域做出貢獻。

在窄禁帶半導體研究方面，他發(fā)現(xiàn)了窄禁帶半導體碲鎘汞帶間光躍遷本征吸收光譜，發(fā)展了碲鎘汞能帶結構理論和光躍遷理論，提出碲鎘汞禁帶寬度、吸收系數(shù)、折射系數(shù)等多個有關碲鎘汞基本物理性質(zhì)的重要表達式。其中所提出的碲鎘汞禁帶寬度等關系式，被國際上稱為褚-徐-湯（CXT）表達式，獲得廣泛引用并認為與實驗結果最符合。他建立了窄禁帶半導體表面二維電子氣子能帶結構理論，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重要基礎問題，發(fā)展了碲鎘汞材料器件設計理論。在非制冷紅外探測研究方面，他先后開展了多種無機和有機材料的研究，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現(xiàn)了熱成像及在國家重大需求中的應用。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研究，探索薄膜太陽電池技術和物理。在太赫茲研究方面，他發(fā)現(xiàn)了基于電磁場誘導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；他利用非線性光學差頻產(chǎn)生方法實現(xiàn)高功率、窄線寬、頻率連續(xù)可調(diào)的太赫茲光。

褚院士的相關研究結果被美國依里諾依大學編入軟件包，被美國空軍研究實驗室、英國菲力浦研究實驗室等30多個單位作為紅外材料和相關理論及實驗研究的依據(jù)。有20項研究結果作為標準數(shù)據(jù)和關系式，被寫入國際權威科學手冊《Landoldt-Boerstein科學技術中的數(shù)據(jù)和函數(shù)關系》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”修訂負責人。他的研究結果還被大段引入美國《固體光學常數(shù)手冊》、英國《窄禁帶鎘基化合物的性質(zhì)》、荷蘭《混晶半導體光學性質(zhì)》、前蘇聯(lián)《半導體光譜和電子結構》等8部著作。美國II-VI族材料物理與化學討論會前主席A.Sher評價：“他們現(xiàn)在不僅已經(jīng)趕上世界先進水平，并且在一些方面走到了前面?！?/p>

2020年是褚院士從事學術研究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《窄禁帶半導體物理學》（褚君浩著，科學出版社，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獎3次、省部級科技進步獎和自然科學獎10余次。

近年來他帶領的研究團隊繼續(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)了一種新的光電導現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)當太赫茲光照射到金屬－半導體－金屬結構上，半導體的電導率會增加，原來是由于太赫茲電磁波的電場誘發(fā)金屬－半導體界面的半導體一側形成一個勢阱，電荷就從金屬一側流向半導體，形成半導體電導率的增加。于是，這個金屬－半導體－金屬的結構就成為一個太赫茲探測器，一旦感受到太赫茲電磁波，就會導致電導率增加（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。一開始這個半導體材料用碲鎘汞，后來發(fā)現(xiàn)其它半導體材料如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材料雜志發(fā)表，引起國際上相當重視。認為“黃志明及其合作者提出實現(xiàn)優(yōu)異光電效應的獨特原理（a unique theory），并從實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、學生在實驗室一起討論工作

圖2 （a）金屬-半導體-金屬（MSM）結構示意圖（b）反對稱電場（紅線）和勢阱eφ（綠線）沿x方向的變化曲線（c）限制在誘導勢阱中額外電子（藍點）沿z 軸方向的分布情況（綠線），紅色點為半導體本征載流子

2開辟極化場調(diào)控半導體光電器件新方向

褚君浩團隊王建祿、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)機理的認識，設計了具有極陡峭亞閾值擺幅的場效應晶體管，闡明了極化局域場及負電容效應對光電響應的影響規(guī)律，實現(xiàn)了高靈敏光電探測器件，器件探測率等關鍵指標為同期國際同類器件報道最高水平。提出鐵電極化疇調(diào)控低維半導體載流子的新方法，闡明了極化誘導局域電場操控載流子的機制，構建了多種高性能器件光電/電子功能原型器件，實現(xiàn)了高速高靈敏結型光電探測器，器件指標達到國際同類器件報道最好水平。提出了熱釋電和光電導效應協(xié)同作用的光電探測器，利用了低維半導體溝道讀出放大熱釋電電流，極化局域場抑制低維半導體光電導效應暗電流，實現(xiàn)了從紫外至長波紅外（375 nm-10 μm）超寬譜段響應室溫紅外探測器。研制的高靈敏熱釋電紅外探測器，已應用于FY3（04）衛(wèi)星高光譜掃描儀載荷的光學校準系統(tǒng)和其它重要方面。運用鐵電材料極化特性與半導體結合，構建新機理光電探測器件的研究，在科學上很有意義，也為拓展鐵電極化材料和低維半導體在光電器件中應用提供了科學依據(jù)和技術基礎。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，獲得國際學術界高度評價。

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

褚君浩團隊胡志高教授等（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體氧化物的凝聚態(tài)光譜新技術新理論，構建了強磁場、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，首次實現(xiàn)單分子薄膜等納米結構的光譜學探測，獲得20余種重要氧化物功能材料光學常數(shù)，被國際上廣泛引用，用于器件設計（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同型相界的光電躍遷和結構相變的關聯(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，實現(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用化掃描探針顯微技術電解液溶液下電學成像領域又取得一系列重要進展，實現(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《物理評論應用》和《納米技術》。

圖5 褚君浩和學生胡志高教授在實驗室向外賓介紹工作

圖6 鐵電氧化物相變規(guī)律的光譜學研究

褚君浩院士的研究團隊在紅外科學與技術領域不斷探索，許多杰出的青年科技人員在成長，為科學技術發(fā)展做出貢獻。