研究成果

在自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目，科技部重点研发项目的支持下，本团队在相关研究领域取得了进展。

一、空间引力波探测检验质量的研制

空间引力波探测计划的关键技术之一是降低惯性传感器中检验质量受到的非保守力扰动，使探测频段内灵敏轴方向残余加速度达到10-15m/s2/Hz1/2量级的超高精度。其中，超低扰动检验质量的研制与测试技术是实现该目标的重要前提。

航天器运行时，检验质量处在不断变化且难以完全屏蔽的磁场中，磁噪声是残余加速度噪声的主要来源之一。因此，检验质量研制的关键在于降低其磁化率和剩磁矩。团队据此开展近零磁化率合金的相图再评估及磁性计算研究，形成千克级检验质量的成分、工艺设计方案，制备高纯、高均匀化的千克级合金立方块，并发展高精度合金表面无磁加工技术，以获得满足磁性和形位精度需求的检验质量。

图1   超低扰动检验质量的设计与研制

二、量子器件

我们基于二维材料，比如石墨烯和过渡金属硫族化合物，开展量子计量学、自旋电子学、超导电子学和超导量子计算等领域的工作。其中在量子计量学、自旋电子学方向，本团队致力于发展大面积高品质的石墨烯薄膜的生长工艺，并以此为基础制备石墨烯量子霍尔器件阵列与石墨烯自旋器件，突破现有量子霍尔器件需要低温强磁场的限制，解决传统自旋器件自旋弛豫时间较短、自旋注入效率较低的短板。在超导电子学和超导量子计算领域，本团队着重研发基于二维超导材料的约瑟夫森器件，上述器件有望抑制超导-绝缘体-超导架构约瑟夫森结中因绝缘层破缺导致的退相干过程，并以此为基础发展服务于大规模超导量子计算机的低噪声超导微波器件和硬件层面容错的新型超导量子比特。

图2   石墨烯量子霍尔器件图

图3 约瑟夫森器件图

三、光电传感器

受限于高质量p-n结和低接触电阻的制备，前人报道的TMDCs基光电二极管性能尚有很大提升空间。鉴于此，提出一种可以在光伏模式下工作的p-i-n同质结二极管。通过Ar与O2等离子体处理分别实现对金属接触区域的n型与p型掺杂，而保持沟道中间依旧是本征状态，构成横向p-i-n二极管结构。通过排除较慢的光生载流子扩散，以及由于掺杂剂或掺杂过程引入的缺陷态而导致的光生载流子的俘获过程，该探测器带宽主要由光生载流子漂移决定，3dB 带宽 1.9MHz 远高于文献报道值。

图4 基于横向p-i-n同质结的超快WSe2光电二极管

 为调控硫化钼光电探测器的性能我们使用多种调控手段研究界面能带排列和器件结构等对硫化钼光电探测器性能的影响及其机理，其中包括：使用不同能带结构的量子点与硫化钼组成复合光电探测器调控器件的响应度，研究界面能带结构对电荷转移及能量转移的影响；通过结构设计使用离子液体作为栅极，控制栅极电压下实现场诱导的PN结和肖特基结的自由切换。

  图5 MoS2光电探测器的性能调控

   四、低维拉曼光谱

为研究环境条件和电学调控等对低维器件性能的影响及其机理，团队展开针对低维材料的拉曼光谱研究，包括：应力和电场条件下有机半导体拉曼光谱的模拟计算研究；有机半导体中水分子诱导的电学性质和拉曼光谱转变的实验研究；自由电荷密度和静电调控下量子点拉曼光谱的研究等。

图6 低维体系拉曼光谱研究

Selected Publications:

• Exploring the interfacial coupling between graphene and the antiferromagnetic insulator MnPSe3, Physical Review B(2023)

• Controllable Switching between Highly Rectifying Schottky and p–n Junctions in an Ionic MoS2 Device, Adv. Funct. Mater, 2301010 (2023)

• Tunable resonance Raman scattering of quantum dots in a nonlinear excitation regime, J. Chem. Phys, 158 (13): 134709 (2023)

• Supercooled water induced hysteretic transition in H2SO4-treated PEDOT:PSS, J Mater Chem C 11. 19，6393-6399 (2023)

• Asymmetric Growth of Monolayer Graphene on Cu Foil by Space‐Confined CVD, ChemNanoMat 9. 7, e202300143 (2023)  

• Josephson Effect in NbS2 van Der Waals Junctions， J. Phys. Chem. Lett ， 10811–15（2022）

• High-Speed Transition-Metal Dichalcogenides Based Schottky Photodiodes for Visible and Infrared Light Communication, ACS Nano 1936-0851 16，19187-19198（2022）

• Quantum transport in CVD graphene synthesized with liquid carbon precursor, Nanotechnology 33, no.35, 355601 (2022)

• Tailoring the Fluorescent and Electronic Properties of 2H-MoS2 by Step-by-Step Functionalization, J. Phys.Chem.C 1932 - 7447 125,25739 - 25748 （2021）

• Tunable Performance of Quantum Dot-MoS2 Hybrid Photodetectors via Interface Engineering, ACS Appl. Mater.Inter.1944 - 8244 13,59411 - 59421 （2021）

• An Ultrafast WSe2 Photodiode Based on a Lateral pin Homojunction, ACS Nano 1936-0851 15，4405 - 4415（2021）

• Thickness-Dependent Enhancement of Electronic Mobility of MoS2 Transistors via Surface Functionalization J.Phys.Chem.C 1932 - 7447 124, 16943 - 16950(2020)

• Sustained and Controlled Release of Volatile Precursors for Chemical Vapor Deposition of Graphene at Atmospheric Pressure Chem. Eur.J. 0947 - 6539 26, 7463 - 7469(2020)

• Study of Charge Transfer at the Quantum Dot - Graphene Interface by Raman Spectroscopy J. Phys. Chem. C 1932 - 7447 123, 24943 - 24948（2019）

• Optical Phonon Behaviors of Photocharged Nanocrystals: Effects of Free Charge Carriers J. Phys. Chem. Lett 1948 - 7185 9, 5055 - 5062 (2018)

专利：

•基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备，授权2018.12.10

•基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法，授权2018.12.10

•基于多层-单层石墨烯结的太赫兹探测器及制备方法，授权2019.1.25

•一种基于TMDCs横向PIN同质结的光电二极管及制备方法，授权2020.5.22

•一种基于TMDCs的电场诱导肖特基光电二极管及其制备方法，登记2022.1.10

•一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置及其测量方法，登记2022.11.28

•一种以钯纳米结构修饰高方块电阻二维过渡金属硫族化合物的氢气传感器及制备，登记2023.6.15

•一种快速退磁和实时测量剩磁的装置，登记2023.7.25