首夏犹清和，芳草亦未歇。在北京大学物理学院中楼312会议室，物理学院凝聚态物理所半导体纳米光子学专业2016级直博生杨振乾顺利完成了博士学位论文答辩。由北大物理学院秦国刚院士、戴伦教授、冉广照教授、马仁敏研究员、叶堉研究员、徐万劲高级工程师和中国科学院半导体研究所阚强教授、北京师范大学物理学院陈建军教授组成的博士学位论文答辩委员会对杨振乾的博士学位论文进行了现场评审。

杨振乾向评委老师进行论文成果展示

博士学位论文答辩主要由三个环节组成，分别是学术成果展示、评审专家提问及答辩委员会投票表决。杨振乾对其博士学位论文《基于新结构和材料的半导体光电器件研究》进行了30分钟的详细说明与展示。该论文主要从新的物理机制与新的材料体系两方面对光电器件进行了研究，从而开发研制出新型光电器件，提升光电器件性能，拓展光电器件应用场景。

展示开始时，杨振乾向各位答辩专家就研究新型半导体光电器件的背景、意义以及其博士论文的思路与目标进行了介绍。半导体光电器件是现代信息技术的基石。近年来，一系列新的物理概念与原理如拓扑光学、等离激元光子学、非厄密光学的发展为新型高性能半导体光电器件的发展带来了新的维度和方法。同时，新型光电功能材料如有机铅卤钙钛矿材料、量子点材料、二维材料的突破也为新型高性能半导体光电器件的发展带来了新的机遇。杨振乾的博士学位论文正是聚焦于以上两个方面，在导师马仁敏研究员的指导下，对新型高性能半导体光电器件进行了深入研究，实现了基于自旋动量锁定边界态的拓扑涡旋激光器和基于钙钛矿单晶薄膜的光电探测器。

在介绍基于自旋动量锁定边界态的拓扑涡旋激光器这部分工作时，杨振乾同学主要展示了拓扑涡旋激光器的独特性能与优势。在常规回音壁模式微腔中，频率简并的顺时针和逆时针传播的两个行波模式会因为缺陷和转角引起的背向散射产生耦合，形成两个驻波模式。然而驻波模式在激射过程中存在空间烧孔效应，导致不同模式之间存在模式竞争，难以实现单模激射。同时回音壁模式在光子共振回路的平面内需要有较大波失，因而难以实现垂直方向性出射。而在拓扑涡旋激光器中，由于其自旋动量锁定的拓扑腔模受到光子晶体对称性的保护，不存在模式的背向散射，频率简并的两个反向传播的模式因为不会产生耦合，可以保持很好的行波特性。行波模式振幅在空间分布均匀，避免了空间烧孔效应，同时抑制了其他模式，使得拓扑涡旋激光器可以实现单模激射。更为有趣的是，由于拓扑边缘态的面内动量很小，其主要辐射场处于与共振腔垂直的方向，使得出射光束拥有良好的垂直方向性。杨振乾在论文中还进一步展示了拓扑涡旋激光出射光场的自旋和轨道角动量，发现出射光场的自旋和轨道角动量和拓扑腔模近场的自旋和轨道角动量具有一一对应的关系。

拓扑涡旋激光器的优势

在介绍基于钙钛矿单晶薄膜的光电探测器这部分工作时，杨振乾同学主要介绍了使用单晶薄膜材料进行钙钛矿探测器制作的意义。单晶半导体薄膜是构建高性能光电子器件的基石。然而目前钙钛矿器件大多基于多晶薄膜或者厚度在十微米量级以上的单晶钙钛矿材料。对于多晶薄膜来说，其内部的晶界与缺陷增加了载流子的散射与复合，使得载流子传输效率降低，限制了器件的性能；对于厚的单晶来说，不必要的材料厚度会增加载流子的传输时间和复合比例，从而限制了器件的性能。钙钛矿材料厚度与结晶性的同时优化对发展高性能钙钛矿器件的重要性不言而喻。杨振乾通过施加压力的方法对晶体生长进行空间限制调控晶体厚度，同时对衬底表面进行修饰控制成核过程，生长出了厚度可控的大面积CH₃NH₃PbBr₃单晶薄膜。在此基础上制备了高性能单晶钙钛矿薄膜光电探测器。得益于同时优化的钙钛矿材料厚度与结晶性，该探测器可实现200个光子的脉冲弱信号探测，光增益超过10的7次方。此外，杨振乾在论文中还对基于不同厚度的单晶钙钛矿薄膜材料的器件性能进行了系统研究，揭示了材料厚度对器件性能的重要影响。

答辩委员会专家充分肯定了论文的学术创新，并进行了30余分钟的提问和讨论。答辩主席阚老师提出，加工误差等是否会破坏激光器中拓扑结构的鲁棒性。杨振乾从整个体系的旋转对称性以及模拟和实验结果进行了回答与论证，得到了目前整个体系鲁棒性非常强的结论，可以对一般的加工误差进行容忍。专家们还对论文中相关工作的进一步深入研究提出了宝贵建议。

杨振乾与答辩委员会合影

答辩结束后，答辩委员会对杨振乾的博士学位论文进行了讨论与无记名投票表决，最后由答辩委员会主席阚强老师宣布杨振乾全票通过博士学位论文答辩。

【个人简介】

杨振乾，物理学院凝聚态物理2016级纳米半导体光子学博士生，导师为凝聚态与材料物理研究所马仁敏研究员。杨振乾的博士论文聚焦于新型半导体光电器件研究，在Nature Nanotechnology、Physical Review Letters、Advanced Materials等期刊发表了多篇论文。杨振乾曾获选代表中国博士生参加第69届诺贝尔奖获得者大会，并在会上作海报展示。他在博士就读期间曾获得国家奖学金、专项奖学金等奖励及北京大学三好学生、北京大学三好学生标兵等荣誉，多次在国际会议做口头报告或海报展示，并获得ACP/IPOC最佳海报奖、钟盛标论坛一等奖、五校联盟博士生论坛一等奖、iCanX研究生学术联赛冠军等奖项。杨振乾被评为2021届北京大学优秀毕业生与北京市优秀毕业生，其博士学位论文也被推荐为北京大学优秀博士学位论文。

【对母校/学院/导师想说的话】

时光飞逝如白驹过隙，转眼间博士的五年时光已经匆匆流过，而我的记忆仿佛还停留在刚入学的时刻，无论是实验失败的煎熬还是成功的欣喜，都历历在目。古之成大事者,不惟有超世之才,亦有坚忍不拔之志。五年时光不短不长，每天往返于宿舍、食堂与实验室，体会过通宵到凌晨返回时的刺骨寒冷，但也享受了第一缕阳光的温柔。现在再回首，想想当时的艰辛，现在也能安心的给予一个微笑一声感叹，也觉得很是值得了。

刚到北大，我只是一个迷失在科研道路上的“路痴”，一路走来，感谢我的导师马仁敏研究员的引导与教诲。马老师客观严谨的科研态度以及做事态度和方法使我在后续的科研和生活中受益匪浅。马老师对我要求严格，在我失落时鼓励我，在我迷茫时引导我，在我自大时点醒我，始终鞭策我更进一步。感谢所有的老师和同学，通过你们的言行与帮助，我得以将不成熟的想法逐步变成现实。

感谢北大严谨的学风与兼容并包的气氛，能使我将人生最有创造力的五年时光在燕园挥洒。博士毕业不是终点，而是人生新的起点，在北大读博不仅教会我知识，更教会我坚韧的态度与不屈的精神。长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。

专题链接：北大研究生教育探索与实践