基于纳米尺度新材料的太阳能光伏器件研究是当前国际太阳能光伏领域研究的热点。碳纳米管是直接带隙材料，一直被认为可能在构建下一代太阳能电池中发挥重要影响。如何非常高效级联碳管太阳能电池以获得高的光电压输出，就成为碳管光伏器件领域富有挑战性的工作之一。课题组首次提出采用钯/钪虚电极对的接触方法，无需传统的掺杂工艺即可有效地使器件的光电压产生倍增，具体地，在一根10μm长的碳管上级联5个二极管单元，就可以获得大于1V的光电压。相关研究成果发表在Nature Photonics 5,672-676 (2011)，该工作被评选为“2011年度中国十大科技进展”。

  图1. 碳纳米管中高效光电压倍增效应                       图2. 碳纳米管三维光电集成

信息技术进入后摩尔时代，学界和业界一直在探索超越互补金属氧化物半导体（beyond CMOS）架构的方式，片上光互联和三维集成架构成为研究热点之一。课题组在碳纳米管电子学领域发展了高性能碳管电子、光电子器件的无掺杂制备方法，基于网络碳管薄膜实现了碳管光发射机和接收机；进一步利用碳管光接收器和光发射机实现了光电混合集成的“与”逻辑门以及碳管单片三维堆叠的光电集成回路，其纵向集成尺度在亚30 nm量级；为超越CMOS架构提供了有价值的参考。相关研究成果发表于Nature Communications，8,15649（2017）。

  图3. 碳纳米管等离激元集成回路

等离激元在亚波长尺寸光操控方面具有优异特性，故在亚波长光电集成领域备受瞩目；如何实现亚波长尺度的光电集成架构成为当下研究热点。课题组系统地发明了一种可完美兼容等离激元结构的无掺杂技术，通过利用无掺杂技术集成亚波长等离激元波导，首次实现电驱动完整的等离激元回路；进一步展示了具有单向光操控功能的接收器、波长-偏振复用器及其与CMOS的三维集成回路。这是电驱动等离激元回路的首次实现；课题组继续提出利用“金属工程”的策略，通过基于金（Au）设计孔洞状的底层等离激元结构来实现在片光操控；利用低温制备的工艺特性和CMOS兼容的方式来实现三维集成等离激元器件与电子器件；其功能体现为底层无源器件实现光操控和信号传递，上层有源器件实现信号接收和处理，展示了具有单向光操控功能的接收器、波长-偏振复用器及其与CMOS的三维集成回路。区别于传统的光互连过程，利用等离激元作为传播媒介的互联过程可打破光学衍射极限，为后摩尔时代的beyond CMOS架构提供重要参考。文章分别发表于Science Advances，3，e1701456（2017）和Nature Electronics，1, 644–651 (2018)。