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。近年來他帶領(lǐng)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(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。

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）表達式，獲得廣泛引用并認為與實驗結(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(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(guān)理論及實驗研究的依據(jù)。有20項研究結(jié)果作為標(biāo)準數(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、省部級科技進步獎和自然科學(xué)獎10余次。

近年來他帶領(lǐng)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(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材料雜志發(fā)表，引起國際上相當(dāng)重視。認為“黃志明及其合作者提出實現(xiàn)優(yōu)異光電效應(yīng)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(xué)生在實驗室一起討論工作

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（藍點）沿z 軸方向的分布情況（綠線），紅色點為半導(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)機理的認識，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電容效應(yīng)對光電響應(yīng)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(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制，構(gòu)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(jié)型光電探測器，器件指標(biāo)達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)校準系統(tǒng)和其它重要方面。運用鐵電材料極化特性與半導(dǎo)體結(jié)合，構(gòu)建新機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(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(yīng)用》和《納米技術(shù)》。

圖5 褚君浩和學(xué)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(xué)研究

褚君浩院士的研究團隊在紅外科學(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。