21 世纪以来，随着CO2 为主的温室气体排放量不断增加，寻求新型能源来构建低碳型社会的诉求越来越迫切。其中以太阳能驱动转化CO2 为碳氢燃料的技术，可将CO2 转化成甲烷、甲醇、甲酸或C2+ 等高附加值的碳氢燃料，是实现全球碳平衡的有效途径之一，具有巨大潜力。半导体材料是决定光催化还原CO2 过程进行的重要因素之一，因此探索和开发高效光催化功能材料是当今研究的主要方向。本文综述了近几年来作者课题组在光催化还原CO2 为碳氢燃料方面的重要研究进展，主要涉及TiO2 基系列光催化材料，V、W、Ge、Ga、C3N4 基等系列光催化材料的结构组分调控。
固体物理学研究多体问题，是物理学的重要分支，涉及面极其广泛，也是包括材料科学等在内的多个技术学科的基础。本文论述了固体物理学的发展简史，包括初期发展史、对热性质研 究、魏德曼–弗兰兹定律、晶体微观几何结构的研究历程、自由电子气体模型、固体能带论、对固 体磁性的研究、信息时代、中国固体物理学的发展、固体物理学教材等多个部分，简述了固体物 理学发展中的大事件和具有较大影响力的科学家及其贡献。
MAX 相陶瓷因具有独特的 MX 片层与A 片层交替堆叠的晶体结构，使其兼具金属和陶 瓷的优良特性，如良好的导热导电性、可加工性，同时具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性以及耐 摩擦磨损等性能，具有非常广泛的应用前景。本文首先介绍了 MAX 相陶瓷材料的种类与晶体 结构，并简述了近几年新发现的 MAX 相陶瓷材料以及制备手段的发展动态。之后从 MAX 相 物理性能的角度出发，重点综述了几种典型 MAX 相陶瓷材料的弹性性能、电学性能、热学性 能、磁性能以及抗辐照性能的研究进展。此外，进一步介绍了MAX 相的二维衍生物 MXene 的 衍生过程、超导性以及其在电化学储能、催化领域的研究进展。最后，本文从探索 MAX 相材 料新结构的多样性、MAX 相物理性能及相关理论计算、MXene 二维材料以及相应的制备、表 征和应用等方面，展望了 MAX 相陶瓷材料的潜在研究方向及应用前景，为 MAX 相和 MXene 材料的深入研究提供了新的思路。
拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性，这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视，并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见，因此，当前大部分实验上的工作主要集中在由 s 波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中，我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上，Fu 和 Kane 提出，通过近邻效应将 s 波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体，可以诱导出拓扑超导电性。在实验上，我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分，我们介绍了一些异质结，包括：三维拓扑绝缘体 Bi2Se3和 Bi2Se3 与 s 波超导体NbSe2 以及 d 波超导体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 的异质结，拓扑绝缘体 Sn1−xPbxTe 与 Pb 的异质结，二维拓扑绝缘体 WTe2 与NbSe2 的异质结。此外，还介绍了 TiBiSe2 在 Pb 上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中，我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾，包括著名的基于 Fu-Kane 体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结，以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。
光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时，自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色，折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用，和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位；另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感， 结合量子弱测量技术，在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源，回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展，介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后，展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。
基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为人们研究材料结构、性质以及进行新功能材 料设计的重要手段。对于掺杂和界面体系，人们常常需要使用超胞来描述。超胞的使用导致能带 折叠，从而掩盖能带结构的重要特征，为人们分析掺杂和界面效应对材料能带结构的影响带来困 难。本文概述了超胞导致的能带折叠现象，重点介绍了基于平面波和原子轨道的能带反折叠方法、 声子能带反折叠方法及相关计算工具，给出了该方法在掺杂和界面体系电子、声子能带结构方面 应用的例子，并对该方法进行了展望。
社会的发展离不开能源的发现与创造，光伏能源的多形式运用在能源领域大放异彩，室 内光伏器件逐渐成为大家所关注的热点。室内光伏IPV (Indoor photovoltaics) 作为低照度条件 下的电源，可以满足低功率电子器件的工作要求。本文主要比较了基于硅、染料、III-V 族半导 体、有机化合物和卤化物钙钛矿这些不同类型的IPV 器件。得益于卤化物钙钛矿活性层具有优 异的光物理特性，钙钛矿光伏具有成为高性能室内光伏器件的潜力。与此同时也讨论了室内光伏 的局限性。最后，提出了制备生产高效率、无毒、稳定的钙钛矿室内光伏器件的解决方案以及未 来应用展望。
自首次于聚乙炔发现导电现象以来，具有共轭结构的有机半导体材料赖其种类丰富多样、 制备工艺简捷低耗、以及优异的机械柔性等特点，在“后硅时代”中有望以先进光电子设备展现 其广阔前景，因而多年来备受学界和产业界的瞩目。如何进一步阐明有机半导体中结构和性能之 间的关系，探索电荷载流子微观动力学行为，构筑高性能、新功能的有机光电子器件，是当下有 机电子学领域的前沿核心问题，也是保证其持续发展的基石。近年来，二维有机半导体晶体材料 在秉持高度有序的分子排列与极低的杂质缺陷浓度等优点的同时，更是以“薄膜即是界面、界面 即是薄膜”为一帜，克服传统体材料在研究与应用中的瓶颈，为揭示材料构性关系及其中基本物 理过程提供了良好的平台，也是实现多样化的新型有机光电子器件的理想材料，有望为微纳电子 领域带来新一轮变革。本文从二维有机半导体晶体的制备工艺、电荷载流子微观动力学行为，再 到新型器件的光电功能应用等方面，综述了最新研究进展，做出总结和展望，并提出目前面临的 挑战及未来研究方向，旨在为进一步深入理论研究，结合有机材料与先进技术，推动有机电子学 的发展提供有益帮助。
有机发光材料有望广泛应用于新一代柔性光电子器件。由于自旋多重性，有机分子发光材料 中单重激发态和三重激发态转换较慢，限制有机发光器件特别是电注入荧光器件的效率。我们介绍 下近年来通过分子设计操控激发不同时间尺度三重态的动力学来突破这一限制的策略，通过控制激 发单重态和激发三线态之间的电子耦合，利用热激子系间窜越、反向系间窜越、激发三重态稳定化 等过程能够有效提高有机发光材料的发光效率。在此基础上实现的热活化延迟荧光、有机长余辉发 光等在有机发光二极管、传感器、生物成像等领域有重要潜在应用价值。
氧化物超导体是非常规超导体最重要的表现形式之一，其中铊系、汞系和铜碳系列超导体 的超导临界转变温度 (Tc) 都可达到 110 K 及以上，高的超导转变温度和液氮温区较高的不可逆磁 场，以及广泛应用潜能备受人们关注。显然，高的超导临界温度使超导应用的冷却介质选择增多， 经济实用的冷却剂可望扩大这些高超导转变温度超导体的应用领域和增加长期运行可行性。本文对 110 K 超导临界温度超导材料包括铊系、汞系和铜碳系超导体的发展历程和超导性能进行介绍 和总结，并从理论上去分析超导转变温度的影响因素，定性解释高温超导体高 Tc 的原因。特别关 注分析了它们不可逆场的差异，展望这些高临界温度超导体的可能新型应用。
二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合，在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构，保证了原子层间的可剥离性，为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈，二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中，我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料：铜铟硫代磷酸盐(CuInP2S6)。该材料体系的科学内涵和应用前景，引发了新的研究热潮。在本文中，关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究，均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(MIMIIIP2(S/Se)6)中的其他代表性材料。最后，我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。
由于具有超短的脉冲宽度和极高的峰值强度，飞秒激光微加工是一种有效的材料加工方法， 已广泛应用于光子集成器件的加工。铌酸锂晶体具有优异的电光、非线性光学和压电特性，是集成 光学和导波光学中常见的材料。本文综述了飞秒激光对铌酸锂晶体的处理，重点介绍了飞秒激光加 工的物理原理及其制备的铌酸锂基光子器件的最新进展。飞秒激光技术使铌酸锂晶体在微纳光子学 领域具有广阔的应用前景。
自旋霍尔纳米振荡器利用电流产生的自旋轨道力矩驱动磁性薄膜中磁矩进行高频进动，能在微纳尺度下实现全电学调控的相干自旋波和微波信号，是一类新型的纳米自旋电子学器件，在信息存储、处理和通信方面具有广泛的应用前景。基于强自旋轨道矩效应，人们近期在各类铁 磁/非磁重金属构成的双层薄膜结构中，已实现了多种不同自旋波模式的电学激发和调控，并对 其复杂的非线性动力学特性进行了深入的探究。基于这些前期的研究结果与最新的进展，我们在 本综述中对“对三角”结构的纳米间隙型、“蝴蝶结”型、纳米线型、垂直纳米点接触型以及阵 列等具有各类器件结构的自旋霍尔纳米振荡器所体现出来的丰富非线性动力学特性进行了详细讨 论与归纳，并对其在新型低能耗量子磁振子自旋器件和非冯诺依曼架构的自旋型人工神经网络计 算方面的潜在应用也进行了探讨。
从本质上讲，规范场是物理学中 (量子场论，基本粒子理论) 重要的研究领域 (1979 年、 1999 年和 2004 年共有六位物理学家获得诺贝尔奖，他们的研究工作直接或间接与规范场有关)， 而纤维丛则是数学中 (微分几何、群论、李代数) 的热门课题 (1986 年唐纳森因研究纤维丛获得菲 尔茨奖)。近年来，对杨–米尔斯方程、纤维丛和规范场的研究正在深入开展，因此，本文着重从物 理概念出发，分别论述规范场在量子场论中，纤维丛在微分几何中相关概念的形成、发展，以及 与杨–米尔斯方程之间的关系，特别是从电磁场、弱力和强力的统一方面，显示了规范场的重要性 和深远意义，为了使更多的相关专业读者能在这一重要的领域中迅速获得必要的专业知识，产生 探索和创新的热情，在综述中对阿贝尔规范场到非阿贝尔规范场，以及对称性自发破缺的基本概 念和处理方法，进行了详细的论述，特别是初步探讨了杨–米尔斯方程的空间属性，目的是希望能 更好地将规范场、纤维丛这二者与杨–米尔斯方程联系起来，加深对纤维丛的联络在更深层次的了 解，由于这类问题是一个有意义的研究方向，值得有志者去深入探索。
本文系统深入地梳理了粒子物理中量子纠缠的历史起源。1957 年，玻姆和阿哈诺罗夫 指出，1949 年吴健雄和萨克诺夫的实验实现了爱因斯坦–波多尔斯基–罗森关联。事实上，这是 历史上第一次在实验中明确实现空间分离的量子纠缠。惠勒最早建议这个实验，作为对量子电 动力学的检验，但是计算有误，正确的理论计算来自沃德和普赖斯，以及斯奈德、帕斯特纳克 和奥恩博斯特尔，也符合杨振宁 1949 年的选择定则。1964 年贝尔不等式发表后，人们考虑，它 是否可以通过吴–萨克诺夫实验检验。这推动了该领域的发展，吴健雄小组也做了新的实验。1957 年，李政道、厄梅和杨振宁确立了 K 介子的量子力学形式，并发现中性 K 介子是一个双态系统。 1958 年，基于与杨振宁 1949 年选择定则类似的方法，戈德哈贝尔、李政道和杨振宁最早写下 K 介子对的纠缠态，其中单个 K 介子可以带电，也可以电中性。这首次给出光子以外的高能粒子的 内部自由度纠缠。1960 年，作为没有发表的工作，李政道和杨振宁又讨论了中性 K 介子对的纠 缠态。本文也顺便介绍了几位物理学家，特别是沃德。
量子自旋液体是一种新奇的磁性物态。由于极强的量子涨落，直至零温都不会出现长程序。量子自旋液体的基态不能用序参量描述，并且缺少对称性破缺，因此该物态的实现打破朗道理论的范式。对于量子自旋液体的研究有助于理解高温超导的机理，并且可以被应用在量子计算和量子信息中。目前，尽管理论上有了长足的发展，但仍旧没有任何一个材料被证实为量子自旋液体。因此，探测和确认一个真正的量子自旋液体材料是当前的研究重点。缪子自旋弛豫是一个对磁场极为敏感的实验技术，被广泛应用于量子自旋液体候选材料的研究中。该技术可以观测基态中是否存在磁有序，测量系统中的涨落频率，这两点都是表征量子自旋液体的重要性质。本文简要介绍了量子自旋液体态和缪子自旋弛豫技术，回顾了近期在不同体系的量子自旋液体候选材料中的实验结果，特别是缪子自旋弛豫的成果。这些体系包括一维反铁磁海森堡链（苯甲酸铜），三角格子（YbMgGaO4，NaYbO2 和TbInO3），笼目格[ZnCu3(OH)6Cl2 和 m3Sb3Zn2O14]，蜂窝状格子（Na2IrO3 和 α-RuCl3），以及烧绿石结构（Tb2Ti2O7，Pr2Ir2O7 和Ce2Zr2O7）。
