从原子尺度对半导体材料的电子能带结构和载流子动力学进行人工裁剪和调控，对于设计新型光电子功能器件和提升现有半导体光电子器件性能，尤其是小尺度的纳米光电子器件，具有十分重要的指导意义。北京大学物理学院俞大鹏教授等早期的研究工作证明，由于微/纳米尺度材料能够承载比体材料大得多的弹性应变（Physical Review B 73，235409，2006），可以从原子尺度连续和可逆地调节半导体的晶格参数，应变效应被放大（Advanced Materials 21，4937，2009），应变梯度发挥作用（Advanced Materials 24，4707，2012），因此弹性应变工程被广泛认为是另外一种可能用于人为调控半导体材料电子能带结构和载流子动力学行为的重要手段。近年来，人们对应变下微/纳米结构半导体材料的发光和能带等物性调控开展了广泛的研究。但是，对于非均匀应变场的应变梯度对半导体激子和载流子动力学影响的研究，尤其是实验上的研究是一个巨大的挑战，主要原因是长期以来一方面难以在微/纳米结构半导体中实现精确可控的非均匀应变场；另一方面缺乏同时具有高空间分辨率和时间分辨率的实验技术。

完成本研究成果的国内外合作团队成员

最近，“人工微结构与介观物理”国家重点实验室和“量子物质科学协同创新中心”俞大鹏教授研究团队的博士生付学文、青年教师廖志敏等，在非均匀应变场的应变梯度对半导体激子和载流子动力学特性的调控研究方面取得了重要进展。他们进行了精巧的实验设计，利用微操纵手段首次对ZnO微/纳米线实现了精确可控的标准四点纯弯曲形变加载，在液氦温度（5.5 K）下利用连续波长阴极荧光谱（CW-CL）的高空间分辨和高频谱分辨特性，系统研究了纯弯曲ZnO微/纳米线横截面内激子发光的能量与应变梯度的对应关系，观察到了束缚激子发光在整个弯曲横截面高达60meV的整体红移反常现象。他们与北大国际量子材料科学中心的冯济教授、美国麻省理工学院（MIT）的李巨教授、南京航空航天大学的郭万林教授等开展理论合作研究，通过模型建立和数值模拟，提出了上述反常实验现象是由于应变梯度对激子的驱动效应所导致的重要结论。该结果于1月27日发表在纳米科技领域的顶级刊物之一《先进材料》（Advanced Materials 2014，26，2572，Xuewen Fu，et al.）上。

图a，纯弯曲ZnO微/纳米线横截面线扫CL光谱测量示意图；图b，标准四点弯曲ZnO微/纳米线示意图；图c，标准四点弯曲ZnO微/纳米线样品SEM图；图d，四点弯曲ZnO微/纳米线不同横截面的线扫CL光谱；e，纯弯曲横截面线扫CL光谱的三维图

随后，为了进一步从实验上直接证实应变梯度对半导体激子和载流子动力学的驱动效应，付学文两次被派往瑞士洛桑理工大学与Benoit Deveaud教授课题组开展合作研究，利用该实验室独一无二的超高时间／空间分辨的阴极荧光（TRCL）技术对纯弯曲ZnO微/纳米线开展皮秒时间分辨的激子动力学进一步深入研究，首次从实验上直接观察到了前面工作预言的应变梯度对激子的驱动效应，确立了半导体中应变梯度的重要作用，即应变梯度可有效用于调控半导体激子和载流子动力学特性，这对于设计开发各种新型半导体光电子器件具有十分重要的指导意义。该结果于3月21日发表在纳米科技领域的另一顶级刊物《ACS Nano》【ACS Nano 2014，8（4），3412. Xuewen Fu，et al.】上。这是迄今国际上为数不多的在超高时空分辨条件下研究半导体材料载流子动力学效应的研究工作，也是我国在此研究方面唯一的报道工作。北大国际量子材料科学中心的冯济教授、南京航空航天大学的郭万林教授等在上述研究结果的理论模拟计算分析方面作出了重要的贡献。

图a，纯弯曲ZnO微米线横截面A、B、C三点不同应变位置的时间积分TRCL光谱；图b，无应变位置的TRCL条纹相机数据图像；图c-e，纯弯曲横截面A、B、C三点不同应变位置的TRCL条纹相机数据图像

该研究工作得到了国家自然科学基金委重点项目，中瑞科技合作项目，科技部973计划，以及“人工微结构与介观物理”国家重点实验室和“量子物质科学协同创新中心”等的大力资助。

编辑：安宁