微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定，可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车、海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型，辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高、易于微型化被广泛研究，并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石具有5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性，使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展，金刚石晶体的外延技术突飞猛进，为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。本文对比了常见的同位素电池换能结用半导体材料和辐射源材料的特性，介绍了辐射伏特效应的基本原理，接着对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析，并汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池研究的文献，通过各个参数，如开路电压、转换效率等的对比，指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。通过分析金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结目前的性能与应用情况，给出了基于金刚石异质pn结的高性能同位素电池的结构设计，并进行了总结与展望。

采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD), 通过控制生长温度和时间, 在氟金云母衬底(KMg3(AlSi3O10)F2)上制备出大面积、高质量的ReS2层状薄膜、纳米片、纳米花等微结构。利用拉曼显微镜(Raman)、光致发光光谱(PL)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)对所制备的ReS2结构进行表征。结果显示: ReS2能够在表面平整且为惰性的氟金云母衬底上实现大面积高质量的面内、外生长; 面外生长的ReS2纳米片和纳米花结构的拉曼光谱相对于层状的ReS2结构在207cm-1附近的特征峰处存在红移现象, 在163cm-1附近的特征峰相对强度不断减弱; ReS2微结构的PL峰的位置基本无变化, 但是峰值强度随面外生长而不断减弱。

以苯并二茚并二噻吩(IDT)为给体(D)单元, 二氰基茚酮(IC)为受体(A)单元, 合成了四个A-D-A型非富勒烯受体小分子。通过调节IDT结构单元上烷基取代基链的长度(-C6H13, -C8H17, -C10H21和C16H33), 系统研究了分子热学性质、光学性质、能级结构及光伏性能随烷基链长度的变化规律。测试结果表明, 烷基链长度的变化对分子的热稳定性、HOMO能级、最大吸收峰值和吸收范围并没有很大的影响, 但随着烷基链变短, 分子的摩尔消光系数变弱、结晶性升高。基于PBDB-T∶C8-IDT-IC的光伏器件显示了较高的光电转换效率, 达5.90%, 而PBDB-T∶C16-IDT-IC的器件效率最低, 表明烷基取代基链长度对材料的光伏性能具有一定影响。

为了制备高质量氮化硅薄膜, 采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)进行氮化硅的气相沉积, 讨论了工艺参数对薄膜性能的影响, 验证设备工艺均匀性和批次间一致性。通过高低频交替生长低应力氮化硅薄膜, 并检测薄膜应力, 对工艺进行了优化, 探索最佳的高低频切换时间。研究了 PECVD氮化硅薄膜折射率、致密性、表面形貌等性质, 制备出了致密的氮化硅薄膜。研究结果表明, PECVD氮化硅具有厚度偏差小、折射率稳定等特点, 为其在光学等领域的应用打下了基础。

太赫兹滤波器在通信、传感、成像等领域有着广泛的应用。提出了一个基于半导体材料砷化镓的周期性微结构可调谐太赫兹滤波器,并对半导体材料的电介质特性以及微结构的太赫兹滤波特性进行模拟研究。提出了基于光栅结构的太赫兹滤波器,用CST软件时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真,0.1~5.0 THz频段的太赫兹波垂直入射光栅表面,在225~325 K范围内可获得工作频率为0.35~1.51 THz,1.16 THz的滤波带宽,同时保持透过率在85%以上,这对太赫兹滤波器的滤波带宽和透过率的提升具有重大意义。

为了得到铯吸附与阴极电子亲和势变化之间的定量关系，利用NEA光电阴极激活评估实验系统对GaN光电阴极进行了铯激活.根据半导体光电发射理论和双偶极层模型，通过对电子亲和势随铯覆盖度变化的实验结果进行拟合运算，得到电子亲和势与铯覆盖度之间的函数关系式.分析了铯的吸附机理，得到激活过程中铯的吸附过程与GaN材料有效电子亲和势下降之间的关系.实验表明：负电子亲和势 GaN光电阴极材料在铯激活时光电流随着铯覆盖度的增加而从本底值增为极大值，激活过程中GaN电子能量分布曲线低动能截止点的位置决定于铯的覆盖度.当铯的覆盖度从0、1/2、2/3到1个单层变化时，低动能截止点依次向左移动，当覆盖度从0增加到1个单层时，低动能截止点向左移动了约3eV的距离.研究表明，低动能截止点左移本质上是由于对电子逸出起促进作用的有效偶极子［GaN(Mg):Cs］数量的增多造成的，有效偶极子数量的增多带来了材料表面真空能级的下降.

为了研究脉冲激光辐照GaAs材料的热效应, 采用软件COMSOL Multiphysics构建了高斯脉冲激光辐照半导体材料的温升物理模型, 分析了1 064 nm纳秒级脉冲激光辐照半导体材料GaAs的热效应.通过求解热传导方程计算了不同功率密度激光辐照GaAs材料的径向与纵向温度场分布,讨论了单光子吸收、双光子吸收及自由载流子吸收对辐照材料的温升贡献.计算结果表明: 当激光功率密度升至1010 W/cm2, 自由载流子对材料的温升贡献已超过单光子吸收对材料温升的贡献而占主导位置; 当激光功率密度降至108 W/cm2以下时, 两种非线性吸收对材料温升的贡献可以忽略.该结果与相关实验基本相符, 表明了构建的物理模型具有科学性.

研究了InAs/GaSb Ⅱ类超晶格的几种台面腐蚀方法.实验所用的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料是使用分子束外延设备生长的, 材料采用PIN结构, 单层结构为8ML InAs/8ML GaSb.腐蚀方法分为干法刻蚀和湿法腐蚀两大类.干法刻蚀使用不同的刻蚀气氛, 包括甲基、氯基和氩气；湿法化学腐蚀采用了磷酸系和酒石酸酸系的腐蚀液.腐蚀后的材料台阶高度是使用α台阶仪测量, 表面形貌通过晶相显微镜和扫描电镜表征.经过对比研究认为, 干法刻蚀中甲基气氛刻蚀后的台面平整, 侧壁光滑, 侧壁角度为约80度, 台阶深度易控制, 适合深台阶材料制作.湿法腐蚀中磷酸系腐蚀效果好, 台面平整, 下切小, 表面无残留, 适用于焦平面红外器件制作工艺.

为了研究矩形激光脉冲辐照下半导体材料3维光生载流子浓度和温度场分布, 采用本征函数法求得了等离子体波和热波随时间和空间变化的解析解。数值模拟了矩形激光脉冲辐照下半导体内光生载流子浓度和温度的时间变化规律以及温度沿径向的扩散规律。结果表明, 光生载流子表面复合速率、寿命和扩散系数等参量对等离子体波和热波分布的时域特性有重要的影响, 特别是在等离子体波和热波阶跃响应的上升和下降沿阶段; 此外, 多参量拟合灵敏度以及相关性分析表明,对阶跃响应曲线进行拟合可实现对半导体参量的单参量及双参量表征。该理论结果对于利用阶跃光激励的光热技术测量半导体材料参量具有一定的指导作用。