本文利用分子束外延（MBE）技术成功生长了GaAs/AlGaAs 非均匀量子阱红外探测器材料，并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异，并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合能谱仪（EDS）对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析，并利用二次离子质谱仪（SIMS）对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明，该量子阱外延材料晶体质量很好，量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。成功制备了单元量子阱红外探测器，研究结果表明：对于非均匀量子阱红外探测器，通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度，可以改变量子阱电场分布。与传统的均匀量子阱红外探测器相比，其暗电流显著下降（约一个数量级）。在不同阱宽下，非均匀量子阱的跃迁模式发生改变，束缚态到准束缚态跃迁模式下（B-QB）的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）对近红外光具有高敏感度，使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂，厚度尺寸从量子点到几微米不等，性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延（MBE）技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In0.53Ga0.47As薄膜和APD结构材料。实验结果表明，As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势，可获得陡直明锐的异质结界面，降低载流子浓度，提高霍尔迁移率，延长少子寿命，并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此，As脱氧可以有效提高MBE材料的质量，这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。

本文利用分子束外延技术在GaAs（211）B衬底上外延CdTe（211）薄膜，系统研究不同工艺条件对CdTe 外延薄膜的表面形貌和光学性质的影响。研究表明，在一定的生长温度下，在Te气氛下生长CdTe薄膜，增加CdTe：Te的束流比，可显著降低CdTe表面金字塔缺陷的尺寸和密度，当CdTe 和Te束流比为6.5时，金字塔缺陷几乎消失，材料的表面平整度显著改善，X射线衍射（XRD）也表明CdTe晶体质量显著提高。进一步的拉曼光谱表明，随着CdTe和Te束流比的增加，Te的A₁峰减弱，CdTe LO和TO声子峰强度比增强。低温光致发光光谱（PL）研究也表明随着CdTe和Te束流比的增加，Cd空位的减少可以使与杂质能级相关的深能级区域的峰强降低，与此同时和晶体质量相关的自由激子峰半峰宽减少，材料的光学质量明显改善。该研究为探索CdTe/GaAs外延材料的理想的工艺窗口以及相关机理，并为进一步以此为缓冲层外延高质量HgCdTe材料提供基础。

研究了分子束外延生长条件对高铟组分InGaAs材料性能的影响，分析了生长温度、V/III比和As分子束形态对In_0.74Ga_0.26As材料光致发光和X射线衍射峰强度、本底载流子浓度和迁移率的影响。测试结果表明：适中的生长温度和V/III比可以提高材料晶格质量，减少非辐射复合，降低本底杂质浓度。As分子束为As₂时In_0.74Ga_0.26As材料质量优于As₄分子束。当生长温度为570 ℃，As分子束形态为As₂，V/III比为18时，可以获得较高的光致发光和X射线衍射峰强度，室温和77 K下的本底载流子浓度分别达到6.3×10¹⁴ cm^-3和4.0×10¹⁴ cm^-3，迁移率分别达到13 400 cm²/Vs和45 160 cm²/Vs。

在机械摆动的运动分割及视觉测量中，针对传统以块状轨迹群为单位的谱聚类运动分割因摆杆光流轨迹中断及线速度分布差异所导致的碎片化与过分割的局限性，提出一种以曲率为相似度度量的弧状轨迹群为单位的谱聚类分割算法，并结合点云配准完成转速图像测量。算法先用活动子集的稀疏高斯回归学习出弧状轨迹群的平均轨迹，将此平均轨迹作为稀疏子空间聚类的种子样本一次性完成运动分割，最后将非种子样本重新归入其被代理的种子样本聚类中以获得每帧最大稠密度的分割点云。在各帧点云基础上，通过条件期望点云配准算法求取帧间点云变换矩阵，并提取转动分量完成摆杆摆角测量。为证明有效性，结合客运车辆日次安全检测视觉自动化系统项目，以6种不同照度下5种车型的双摇杆刮水器总成为对象，比较了三种算法对摆角的测量精度。结果表明：本算法能完整学习出等长轨迹，且与人为标定角位移回归值误差均方值小于10%，同时运算量小于传统的交替方向乘子法（ADMM）单次迭代，可作为工业智能制造与自动控制系统中的机械视觉运动测量及机械视觉故障诊断方面应用。

InN是三五族半导体中唯一具有超导性质的材料，在超导体/半导体混合器件领域具有重要的应用价值。运用磁输运的方法，系统性地研究了磁通钉扎对InN超导性质的影响。通过对超导转变过程中的I-V曲线进行标度，发现InN超导中存在涡旋液体态到涡旋玻璃态的相变。在涡旋液体态，用热激活磁通蠕动模型分析了磁通运动的机制，发现InN超导中存在单磁通钉扎到集体钉扎的转变；在涡旋玻璃态，首先对临界电流与温度的关系进行了分析，确定了InN超导中主要的磁通钉扎机制：δL钉扎。然后对临界电流与磁场的关系进行了分析，发现临界电流在磁场下的迅速衰减是集体钉扎所导致的结果。最后，基于Dew-Hughes模型，对钉扎力与磁场强度的依赖关系进行了分析，发现InN中的钉扎中心的主要是点钉扎。该研究为提高InN的临界电流密度奠定基础。

长波红外偏振探测器能够大幅提升对热成像目标的识别能力。受制于衍射极限的物理限制，目前的微线栅偏振片型长波红外偏振探测器的偏振消光比基本上只能做到最高10∶1左右。文中采用金属/介质/金属的等离激元微腔结构，将量子阱红外探测激活层相嵌在微腔之中。由于上、下金属之间的近场耦合形成了在双层金属区域的横向法布里-珀罗共振模式，构成等离激元微腔。文中利用微腔的模式选择特性及其与量子阱子带间跃迁的共振耦合，将量子阱子带跃迁不能直接吸收的垂直入射光耦合进入等离激元微腔并转变为横向传播，从而能够被量子阱子带吸收，实现了在长波红外13.5 μm探测波长附近偏振消光比大于100∶1的结果。相关工作为发展我国高消光比长波红外偏振成像焦平面提供了全新的物理基础和技术路径。