在依托于中科院半导体研究所建设的低维半导体材料与器件北京市重点实验室里，一台自主研发的二氧化碳气体检测仪正在运行，电脑屏幕上折线图精准反映出气体浓度随时间推移而发生变化的情况。

该实验室项目负责人刘峰奇研究员介绍，这台监测仪基于实验室面向前沿科学的红外量子级联激光器关键技术，如今已推向国内外产业前沿。

在这里，类似具有重要科学和应用价值的前沿技术还有很多。

实验室研制的相关材料

自2012年被北京市科委认定为北京市重点实验室以来，实验室面向国家重大需求，围绕国际半导体材料科学与技术前沿和关键问题，和急需解决的实践应用等问题，开展半导体材料与器件应用基础性研究，并取得了多项成果。

走向科技前沿

量子级联激光器（QCL）是一种基于半导体耦合量子阱子带间电子跃迁的单极性半导体激光器，具有广泛的应用前景。特别是在痕量气体检测、环境污染监控、智能医学诊断等方面。刘峰奇带领团队研发出一系列波长4.2—10.5微米的低功耗QCLs。

2016年以来，科研人员面向气体检测不同应用场合的需要，围绕可调谐QCLs涉及的关键科学问题进行研究。采用宽增益有源区结构设计思路、区域调制掺杂波导层制备技术有效降低QCLs整体损耗；实现QCLs的高质量外延；进行组合调控，有效降低阈值功耗，提高功率输出、波长稳定和单模调谐能力。最终研制出阈值功耗近0.4W的室温连续工作、高光束质量的宽调谐QCLs，达到世界先进水平。

准一维纳米线结构是实现硅与III-V族材料集成的重要途径，是三维高速集成电路的基础，也是当今研究热点。由杨涛研究员领导的科研小组基于MOCVD平台实现了InAs、InSb、GaSb等多种重要III-V族材料在图形化硅衬底上的高质量纳米线阵列外延，特别是首次报道了具有n型导电芯层与p型导电壳层的高质量砷化铟（锑）/锑化镓核壳结构异质结纳米线阵列，并基于其实现了无需掺杂的新型双导电特性场效应二极管。

空间材料出亮点

空间材料科学是实验室的研究亮点之一。实践十号返回式科学实验卫星是中国科学卫星系列中唯一的返回式卫星，是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台，也是中科院空间科学先导专项中首批确定的五颗科学卫星之一。

2016年，由张兴旺研究员和尹志岗副研究员负责的空间熔体材料生长实验在实践十号上顺利开展。“这项实验在卫星的回收舱进行，在轨运行12天后随卫星实现回收。”张兴旺介绍。

空间熔体材料实验由8个实验任务组成，中科院半导体所牵头负责，参加单位包括中科院金属所、北大等。研究内容涉及多元半导体合金、金属基复合材料等。目前，空间样品及地面参考样品正在进行深入分析。

初步结果表明，空间生长样品中观察到了非接触生长现象，这是与地面实验最显著区别之一，同时空间晶体较地面样品缺陷密度下降一个数量级。

引领京津冀协同创新

多年来，实验室大力推进产学研结合，一批高科技成果先后落地，为首都建设全国科创中心、京津冀协同发展、创新驱动建设科技强国等战略的实现贡献了坚实的力量。

据介绍，2016年，潘教青研究员代表实验室与北京万集科技股份有限公司签订协议，成立光子集成芯片联合实验室。实验室协助其建立完善研发条件、培训人员、提供实验场所共同使用，合作研发用于信息处理的光子集成芯片及其他万集科技定制的科技项目。

同时，实验室与北京航星网讯技术股份有限公司成立了激光气体传感实验室。经过5年的合作，2016年成功开发了丙烷激光检测设备、甲烷激光遥测设备等。

目前，双方共同研发的产品已经应用于大连中石油420罐区，完成了外浮顶原油储罐激光油气浓度在线监测系统。在重庆煤气公司，完成了分布式激光甲烷检测系统应用。未来5年，双方将继续在激光气体传感方面开展进一步的合作。

在钙钛矿太阳能电池研发方面，实验室游经碧研究员与张兴旺研究员利用比二氧化钛导带能级深、迁移率高的无机稳定的金属氧化物二氧化锡取代传统的二氧化钛作为钙钛矿电池的电子传输层，并通过调控钙钛矿中PbI2含量，获得了光电转换效率高达20.9±0.6%的平面结构钙钛矿电池，为目前同类结构电池中的最高效率。该结果也被中国光伏学会发表的中国太阳能电池的最高纪录表格收录。

为尽快将课题成果应用推广，该团队与总部坐落在北京的汉能控股集团建立了“先进薄膜光伏联合实验室”。

实验室主任王智杰研究员表示：“北京市科委为我们开展产学研合作搭建了很好的平台，并给予诸多支持。除了上述领域外，实验室在聚合物柔性光伏器件、光电催化、第三代半导体材料与器件等方向也取得了显著成果。我们将努力实现更多、更高水平的科研成果在低维半导体材料与器件北京市重点实验室里诞生。”