代表性论文

本文针对二维材料发光器件在高注入下因激子-激子湮灭造成效率滚降的问题，提出氧等离子体插层策略，将少层MoS2和WS2解耦为准单层堆叠的直接带隙多量子阱结构。插层显著减小激子玻尔半径和扩散系数，削弱多体相互作用，使材料在约1020 cm-2 s-1的高产生率下仍保持稳定发光。基于该结构制备的瞬态发光二极管中，MoS2和WS2器件最高外量子效率分别达到0.02%和0.78%，其中MoS2器件刷新同类器件纪录。该工作为抑制二维发光材料效率滚降及发展硅基片上集成光源提供了新思路

本文针对室温中红外探测器难以兼顾高灵敏度、高速度和宽光谱响应的问题，构建石墨烯/黑磷/MoS2/石墨烯垂直范德华异质结。数十纳米垂直通道缩短载流子输运距离、减少复合损耗，BP/MoS2内建电场与透明石墨烯电极促进光生载流子的分离和收集。器件在零偏压下实现325–3800 nm超宽光谱探测，室温中红外比探测率达2.38×1011 Jones，接近理论极限，响应时间仅10.4 ns，整体性能可比商用制冷HgCdTe探测器，为低功耗集成中红外探测提供了新方案。

利用原子簇密度和界面诱导的多重调控策略，通过理论结合实验，在二维碲烯（Te）材料中实现了原子级精准的相工程控制

创新快速冷却诱导范德华外延 CVD 工艺，实现毫米级单晶 α-MoO₃可控制备。材料本征体介电常数 κ=18.5，2.0 nm 薄膜击穿场强 26.75 MV/cm；以此构筑 MoS₂/WSe₂互补 CMOS 反相器，V_DD=1 V 时静态功耗低至 18 pW/μm，为二维范德华集成高 κ 介质提供完整合成与集成方案。

本文报道了极性范德华材料在电化学插层剥离过程中的自发卷曲现象：材料本征的面外电极化驱动二维薄片自卷为纳米卷，且极化强度可通过插层剂分子尺寸调控，从而实现近100%产率、高重复性且卷曲方向确定的纳米卷制备。该方法可规模化，已在Nb3Cl8、Nb3SeI7等8种极性材料中得到验证。所得纳米卷表现出与层数无关的反演对称性破缺，二次谐波产生（SHG）强度较二维薄片提升约100倍；借助电化学过程中的金属离子共插层，还构筑了10种杂化纳米卷结构。该工作为一维纳米结构的可控制备及设计型量子固体、范德华超晶格和量子纳米器件的构筑提供了新途径。

眼动追踪通过测量眼球运动来揭示用户注意力与意图，为人机交互提供了高效、直观的交互方式。目前主流的视频式眼动追踪系统虽能达到亚度级精度，但需要采集和处理高分辨率图像序列（超过10000像素），导致数据量大、功耗高。本研究开发了一种基于石墨烯/硅光电导网格的超灵敏位置敏感探测器（PSD），通过横向光电效应与界面栅控效应的协同作用，实现了10 pW的超低检测限功率和人眼安全弱光下的高分辨率工作。基于此PSD构建了眼动追踪系统，通过角膜反射光斑位置检测和神经网络模型，实现了<0.1°角精度和1 kHz追踪频率，数据量较视频系统降低三个数量级，信号处理功耗仅约25 mW。系统集成于眼镜原型，成功演示了眼控打字和贪吃蛇游戏等人机交互应用。

利用低温光致发光、时间分辨光致发光和光泵太赫兹光谱，追踪掺杂调控新型半导体中陷阱态与光生载流子输运，揭示钝化与额外陷阱竞争，优化掺杂提升光电器件的光电转换效率。

本文针对二维材料光致发光闪烁机制研究不足、此前仅报道过A型闪烁的问题，在单层WS2/Si（Si表面约2 nm天然氧化层）2D/3D异质结中，通过荧光寿命-强度分布（FLID）统计，首次在二维材料中识别出B型闪烁：PL强度剧烈涨落（暗态仅约为亮态的40%），而荧光寿命基本恒定在约0.33 ns，ON/OFF持续时间均服从幂律分布（β≈1.6–1.7）。变温PL显示闪烁时A激子与局域激子发光强度此消彼长，与带电激子（trion）无关；瞬态反射谱揭示了约0.49 ps的WS2→Si Förster共振能量转移（FRET）通道及A激子布居的异常上升。研究表明，该闪烁源于热载流子弛豫至A激子发光与局域激子复合两条通道间的动态竞争，界面FRET调控激子密度、阻止局域态饱和，从而维持闪烁，这一点有别于其他体系中的B型闪烁；高激发功率（>200 μW）下局域态饱和，闪烁被可逆抑制，而300 nm SiO2衬底上则无闪烁。该工作拓展了对2D/3D异质界面光生载流子动力学的认识，为二维材料异质集成光电器件的设计提供了指导。

本文针对范德华发光二极管在高载流子注入下因激子-激子湮灭和载流子泄漏导致效率滚降、亮度不足的问题，采用百纳米级γ相硒化铟作为有源层，并构建少层石墨烯/InSe/Au垂直异质结构。厚层InSe以自由载流子带间辐射复合为主，俄歇复合较弱，在约1022 cm-2 s-1的高产生率下仍实现29.2%的光致发光量子产率；肖特基—欧姆接触形成的电子阻挡势垒则有效抑制漏电并提高载流子注入效率。器件在室温直流驱动下实现约7.10%的最高外量子效率和13,900 W sr-1 m-2的峰值辐亮度，超过已报道的多类近红外新型LED，并表现出较好的运行稳定性，为片上光互连、集成光电子与传感光源提供了新方案。

本文针对传统碲镉汞（MCT）红外探测器在室温下暗电流较大、界面缺陷引起光生载流子复合的问题，提出了基于MoS2/石墨烯/碲镉汞的范德华异质结构。其中，MCT 作为红外吸收层；n 型MoS2与p型MCT构成有效的 p-n 结，通过内建电场和界面势垒促进光生载流子分离、阻挡多数载流子输运；石墨烯中间层则通过界面电荷转移填充缺陷态，抑制陷阱辅助复合，同时促进光生载流子界面传输。  器件在室温、零偏压下实现了从可见光到中波红外的宽带探测，测试波长覆盖 633–4000 nm，暗电流密度为10^-6 A/cm-2。在黑体辐射测试中，峰值响应度约为 0.325 A/W，比探测率达到 8×10^10 Jones，综合性能优于商用中波红外探测器。该工作为高性能非制冷 MCT 红外探测器提供新的集成设计方案。

III–V族半导体（尤其是InP）在纳米光子系统中具有巨大的集成潜力，但传统闪锌矿InP晶体的二阶非线性磁化率有限，二次谐波产生（SHG）效率很低。该研究证明，大面积双相纤锌矿-闪锌矿（WZ–ZB）界面可显著增强InP纳米膜的SHG效应，在短波红外波段强度提升高达200倍。这一增强源于多型界面的II型能带排列，能空间分离光生载流子、延长载流子寿命并维持强非线性极化源；同时，突变相界与纳米膜大比表面积引入了额外的对称破缺，进一步放大了SHG信号。SHG的偏振依赖性及SHG诱导的光致发光均表现出各向异性特征。该工作确立了WZ–ZB InP同质结构中的晶相工程作为调控非线性光学过程的有效策略，为高效波长转换和集成片上非线性光子回路提供了新途径。

提出了一种基于石墨烯/硅异质结构的非像素化材料内视网膜型传感器，利用光载流子动力学实现了无需图像重建的时空感知，突破了传统像素化传感器的局限，在人体运动识别中达到了超过 98% 的准确率，并将原始数据量压缩 200 倍以上，大幅降低了能耗与延迟。

本团队创新性地提出“硬件‑算法协同设计”路径，将硅基光电子芯片设计与计算光谱重构算法深度结合，在微米级芯片上同步实现了超宽带、皮米级高分辨率的光谱检测，创下单位面积性能新纪录。团队构建了基于级联亚波长光栅微环谐振器的“光子游标卡尺”架构，在55×35 μm²尺寸内突破传统自由光谱范围限制，并结合色散工程优化，在硬件层面为宽带高分辨微型化提供了新路径；同时，围绕时域扫描建立了从光子编码、电学采样到算法重构的闭环协同系统，通过峰值解卷积与查找表算法实现高速高精度光谱恢复。该系统已在便携平台上完成全流程集成，为芯片级光谱仪的实用化与商业化开辟了全新方向。

本文针对片上光电子中微型范德华发光二极管室温外量子效率偏低的问题，采用干法转移将单晶层状Ruddlesden–Popper钙钛矿纳米片夹在两层少层石墨烯电极之间，构建FLG/钙钛矿/FLG单结范德华发光二极管。RPP固有的多量子阱结构及约35%的高光致发光量子产率，可在高载流子产生率下保持高效辐射复合；同时，石墨烯接触通过Fowler–Nordheim隧穿将载流子注入势垒降至约0.10 eV。器件在室温下的开启电流密度低至约20 pA μm-2，最高外量子效率超过15%，创当时范德华发光二极管纪录，并可通过调节钙钛矿层数实现约595–710 nm的可调发光，为可扩展的片上微型光源提供了新路径。

广义相对论利用弯曲时空来描述加速参考系。基于不同参考系之间的协变变换，粒子在不同弯曲时空中的运动可以视作等价的物理过程。本文利用一维弯曲超构材料模拟弯曲时空中的加速粒子；通过结构的不同弯曲构型模拟各类加速参考系，借助沿结构分布的不同几何相位模拟粒子在参考系内的不同运动。依托广义相对论的协变原理，借助洛伦兹变换、共形变换等时空变换，可以得到等价纳米结构。由此能够得到大量协变结构，这类结构在自旋光子激发下可产生完全相同的表面等离激元场。基于引力理论中的伦德勒度规，我们得到了一种新型加速光束 —— 伦德勒光束。在该体系中，依靠几何相位梯度可以实现极高的有效折射率。这种普适协变设计方法还可拓展应用于其他多种光学介质。

金刚石中NV⁰与NV⁻电荷态之间的超快转换动力学对自旋态操控与读出至关重要，但转换机制（包括有效激发波长、时间尺度及影响因素）尚不明确。该研究提出一种利用间隔12.5纳秒的飞秒激光脉冲进行双光子激发来探测两种电荷态超快转换的方法。研究发现，最高转换效率出现在激发波长约532 nm处，且效率随温度升高而增加。在300 K下，从NV⁰到NV⁻的转换时间约为75 ps。这些发现推进了对NV色心电荷态动力学的理解，为量子信息应用中的高速自旋读出提供了新见解。

悬空过渡金属硫族化合物（TMDCs）因不存在淬灭效应，发光效率远高于衬底支撑的同类材料；然而，其在发光二极管（LED）中的应用仍鲜有研究。本文利用双极性单层二硒化钨（WSe₂）设计并制备了双栅极 P‑S (悬空)‑N 结构发光二极管。悬空 WSe₂的光致发光量子产率（PLQY）可达衬底支撑薄片的 5 倍以上，峰值约为 28.8%，该现象源于消除了衬底诱导产生的缺陷陷阱 —— 这类陷阱通常会促进非辐射复合。此外，在静电调控形成的 P‑S‑N 结中观测到了明亮的电致发光（EL），室温下最大外量子效率约为 4.2%，相较于已报道的 P‑I (本征)‑N 结器件高出一个数量级。除光致发光量子产率提升之外，优异的电致发光性能还得益于悬空区域载流子注入效率的改善以及光输出耦合效率的提高，表明悬空过渡金属硫族化合物在高性能片上光源领域具备良好的应用前景。

本文针对双极性光电探测器难以兼顾精确调控、快速响应和宽波段工作的难题，构建了基于BP/Bi2O2Se/BP的转角各向异性范德华异质结构。利用背靠背的异质结形成方向相反的内建电场，结合黑磷的各向异性光吸收，使器件能够通过入射光偏振控制光响应极性，实现可逆的正、负光电流输出。器件在 1000–3500 nm 波段内表现出稳定的双极性光伏响应，响应时间达到 4.3 μs，噪声等效功率为 47 pW·Hz-1/2。利用偏振光依赖的光响应幅值与极性，研究进一步演示了六种全光逻辑运算，并结合重构算法实现 1000–1600 nm 范围的微型光谱仪。该工作为光逻辑运算与小型化光谱感知提供器件基础。

团队提出了一种用于宽带并行相干接收的单片集成硅光子多通道光混频器方案，旨在突破当前波分复用系统在可扩展性和能效上的关键瓶颈；该团队设计了一款将相位补偿90°光混频器与四个三级马赫-曾德尔干涉仪晶格滤波器相结合的34端口器件（两路输入、32路输出），并通过多模干涉仪结构在八个200 GHz间隔的波长通道上实现了亚dB通带均匀性的宽带响应，在12.5nm带宽（1540–1552.5nm）内将相位误差控制在±2°以内且热调谐功耗仅2.5mW；通过射频信道化接收实验（测得平均无杂散动态范围80.8dB·Hz^{2/3}、镜像抑制比33.26dB）和相干光通信实验（对32GBaud 16-QAM信号实现1.024Tb/s数据速率，误码率远低于20%软判决前向纠错门限），该团队验证了器件的并行处理能力，并基于信噪比分析理论预测其传输容量可扩展至1.468Tb/s，从而为下一代人工智能数据中心和5G-XG网络的高性能光电器件提供了有前景的进展。