研究涉及微纳电子学、微纳加工技术、微纳机电系统、器件物理等。通过探索材料及电子器件中的新颖物理现象入手，结合开发微纳制程、新材料生长、及系统集成等技术问题，致力实现低能耗、高性能的复合功能微纳系统，用于节省能耗、环境监测等目前急于解决的应用问题。
（1）基于低维材料的纳米电子器件制程工艺
在过去的十年间，纳米电子和纳米机电的研究，主要集中于实现亚百纳米的结构和器件。这要求开发不同于以往半导体器件加工制程工艺的新技术。我们着力开发纳米模块组装器件工艺制成技术；即先分别加工亚百纳米模块（包括栅极，电极接触，导电沟道或功能结构等），最终通过“装配”将各模块集成为器件，并实现预期器件功能和性能。这项研究对新型纳米制备与加工技术有着重要意义，可以从技术上实现原子级平整、洁净界面、以及高质量电学接触的高质量纳米器件。
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a）基于纳米线的器件装配加工工艺 |
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b）二维材料堆叠人工结构装配工艺 |
（2）低维纳米器件中输运物性研究
在纳米尺度下，材料中的量子效应、界面效应等新奇的现象会凸显出来。其次，近几年来，随着对各种纳米材料的深入研究，发现了一些独特的物理性质，如各向异性、自旋效应、手性、超导、拓扑效应等，其在纳米器件方面的有着重要的物理意义和巨大的应用价值而受到人们的极大关注。对于这些现象和原理深入研究，将有助于未来新功能材料的开发和新型电子自旋器件的提出。
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有强自旋轨道耦合的半导体中，施加磁场能在两个自旋能带接触点打开一个特殊的能隙，即自旋螺旋态，其自旋与动量被锁定在一起。在一维体系中，该表现为整数量子电导平台上的半整数折返。我们与哈佛大学Lieber教授合作，在有着强Rashba自旋耦合的锗硅核壳纳米线，通过测量其一维准弹道输运性质，首次观测到空穴自旋螺旋态所引起的电导折返效应。相比三五族系材料，硅锗均为四族半导体，少量的核自旋大大提升了自旋的弛豫时间。同时相比电子体系，空穴的有效自旋为3/2，自旋动量的耦合更强，可以实现自旋的纯电学调控，用于开发基于硅锗纳米线的全电控自旋晶体管器件。 |
（3）纳米功能器件的研究与开发
（a）开发监测人类生活环境中有害气体的微型化高灵敏度气敏传感器是一个科研热点。传统固态物理气敏传感器的工作原理基于检测气体分子吸附造成的电荷转移或场效应对于材料电学性能变化，其检测灵敏度在ppm量级上下。快速准确的检测亚ppb量级的有害气体仍然是一个技术难点。我们致力于开发了新颖的纳米器件；可以气体分子的快速、高灵敏度检测。
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我们开发了一个新颖的基于悬浮石墨烯结构的纳米器件；并提出了新的气体检测机理：即吸附气体分子造成的库仑散射中心可关闭石墨烯中的部分电子输运通道，从而产生电信号的变化。利用该器件，在世界上首次在室温下实现了气体检测的终极灵敏度-即单个气体分子的吸附。 |
（b）纳米机电接触式开关是一种可以替代现有CMOS技术的低能耗逻辑开关元件；目前的科研方向是降低器件的工作电压以及提高器件稳定性。我们致力通过创新器件结构设计，开发了高效的、高寿命的纳米机电开关。
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我们通过创新器件结构设计，开发了首个可重复工作的单双层石墨烯的纳米机电开关，实现了低功耗、皮安级超低漏电流、并将纳米机电开关的工作电压由过去的大于10伏特大大降低到了2伏特以内。我们与英国南安普顿大学合作，创新性运用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD），实现了在12寸二氧化硅晶片上无催化剂直接合成纳米晶体石墨烯二维薄膜材料。通过标准制程技术加工，到了大规模高性能纳米机电开关器件阵列。 |
