主要研究领域
半导体中杂质、缺陷和深能级
金属与半导体接触
纳米硅和纳米锗体系发光
纳米化合物半导体材料与原型器件
硅基和石墨烯基有机半导体电致发光
化合物半导体/硅键合电泵激光
Perovskite等新太阳电池材料和物理
室温辐照吸杂及其物理机制
主要学术成果
硅中氢的物理行为和与氢有关的缺陷研究：最早测定硅单晶中存在结构中含氢的深中心, 并确定其在禁带中的能级（1984）；发现硅中各主要辐照缺陷在含氢硅中的退火消失温度趋于基本一致的现象（1985）；最早之一独立测定硅中硼-氢对的红外吸收谱，从而证实氢对浅受主的钝化作用是氢与浅受主形成复合物而不是补偿浅受主的结果（1986）；最早揭示氢能显著影响金属与硅接触的肖特基势垒高度（1991）
半导体中深能级研究：最早用单轴应力电容瞬态谱研究半导体中深能级，揭示了硅中金深能级的物理特性（1984）。最早测定硅中铜的深能级(1985)，有关数据被“ Semiconductors-Basic Data 2nd revised Edition (Springer, Berlin, 1996) Ed. By O. Madelung ” 采用。以单轴应力下的深能级瞬态谱揭示硅中A中心和硅中钯的电子能级的分裂和移动（1988）。
纳米硅／纳米氧化硅体系光光致发光及其物理机制：1990年多孔硅室温下发射强可见光现象被发现后，世界范围内掀起硅基发光研究热潮。国际上对多孔硅发光机制争论很激烈，先后提出过几十种不同物理模型。秦国刚和贾勇强于1993年撰文指出：实际研究的多孔硅几乎都是氧化程度不等的氧化多孔硅，它与纳米硅镶嵌氧化硅具有相同的发光机制。并首次提出在氧化多孔硅和纳米硅镶嵌氧化硅中，除了纳米硅内的发光外，包裹纳米硅的氧化硅层中的发光中心（缺陷和杂质）也是发光的重要的来源。这两种材料的光致发光可用量子限制－发光中心模型描述：光激发发生在纳米硅中，而光发射发生在复盖纳米硅的氧化硅层中邻近纳米硅的发光中心上。该模型解释了大量实验，获得国际学术界广泛肯定，成为纳米硅／纳米氧化硅体系光致发光的两个主导物理模型之一（另一个模型是量子限制模型，光发射发生在纳米硅中），单篇论文被SCI论文他引一百三十余次。本研究组在该课题上的研究论文被SCI论文他引总数超过七百次。美国Rochester大学Fauchet教授领导的研究组与法国学者合作在物理评论快报的论文提出：纳米硅大时，纳米硅内发光占优势，纳米硅小时，纳米硅/氧化硅界面发光中心硅-氧双健发光占优势。该论文在国际范围有广泛影响。2003年秦国刚与李宇杰发展了同时考虑量子限制模型和量子限制－发光中心模型所描述的发光过程的理论，指出：当纳米硅大于临界尺寸时，量子限制－发光中心模型所描述的发光过程（即纳米硅/氧化硅界面发光中心发光）占优势；当纳米硅小于临界尺寸时，量子限制模型所描述的发光过程（即纳米硅内发光）占优势。该结论与Fauchet等的结论相悖，但与测不准原理的的推论相一致。该理论得到国际上多项实验工作的有力支持。秦国刚与合作者于1994年发现：带自然氧化硅的p型硅片在淀积半透明金电极后有电致发光现象，若先除去自然氧化硅然再淀积半透明金电极，就不发光; 将p型硅片换成n型硅片，也不发光；首次提出电致发光可来自氧化硅中发光中心。在此基础上，设计并研制一系列利用氧化硅发光中心的硅基纳米硅(锗)/纳米氧化硅电致发光新结构。
近期研究（2003-今）：
4.1 与戴伦教授，马仁敏青年千人等合作研究纳米化合物半导体材料，特别是化合物半导体纳米线（带）材料，和基于这些材料的原型器件。例如：制备出多种单根纳米线（带）与硅的异质结，研究其电致发光，其中，ZnO单根纳米线/硅异质结在紫外区的电致发光是在国际上首次观测到的（2006）。对n-InP纳米线/p-Si异质结观测到 Burstein-Moss效应导致的电致发光峰从920到 775 nm的蓝移（2008）。用化合物半导体纳米线（带）制备的场效应晶体管，具有优良性能，一些晶体管的几项重要参数在论文发表时在国际上领先。还用二或三个化合物半导体纳米线（带）场效应晶体管实现了NOT， NOR和NAND等逻辑功能。实现了CdS NW 环形-Fabry-Perot 耦合腔，观察到Fabry-Perot 腔对环形腔耳语廊模的调制作用（2009）。
4.2 与冉广照教授等合作开展硅基有机半导体电致发光和InGaAsP－Si室温脉冲和连续电泵激光。首次指出并实验证实硅阳极有机电致发光的优势在于：通过改变作为阳极的p型硅的电阻率可以控制空穴电流，使之与电子电流相匹配从而优化发光效率（2004），而通常用作有机电致发光阳极的ITO材料是高简併半导体，没有硅阳极的上述优点。经深入研究，获得了外量子效率为26％和功率效率为15％的硅基有机电致发光（2010, 2009)，这是当时国际上最高效率的硅基电致发光。提出选区金属键合方法，获得美国专利（2009）。用此方法实现了InGaAsP－Si室温脉冲和连续电泵激光。
4.3 与戴伦教授等合作开展石墨烯基有机电致发光。我们是国际上最早（2010）报导石墨烯阳极有机电致发光的两个团队之一（另一个团队是斯坦福大学团队），我们的论文发表在Appl. Phys. Lett. 96, 133301(2010); 博士生孟虎还首次实现：在Cu箔上生长石墨烯后，直接在Cu/石墨烯复合阳极上实现高效率有机电致发光, 免除了石墨烯的转移（Adv. Func.Mater.23， 3324（2013）。最近我们还实现了以石墨烯为阴极的低开启电压高功率效率的有机电致发光。
4.4 正在开展Perovskite太阳电池新材料和相关器件和物理研究。与此同时，博士生张瑜在Si微空柱阵列的径向p-n 结太阳电池研究中发现了反常的新现象：在伽玛射线辐照初期，当伽玛射线剂量增加时，表面未钝化的上述太阳电池的功率转换效率不仅不下降，还有一个上升过程。由此出发，我们发现了伽玛射线辐照下的室温吸杂效应，目前，对于硅中金，该室温吸杂效应已得到多种实验的证实。另外，我们的实验还证明3-5 MeV 高能电子辐照也有类似伽玛射线的辐照吸金效应。正在探索还有什么其它过渡金属杂质也有类似Au的室温辐照吸杂效应。已对此效应提出定性物理解释，研究正在深入中。
发表论文与获奖
发表合作SCI论文超过250篇。
“单晶硅中氢的行为和与氢有关的缺陷”1987年获国家教委科技进步奖一等奖，秦国刚为第一完成人。
2001年获中国物理学会2000－2001年度叶企荪奖。
“纳米硅／氧化硅材料体系发光及其物理机制”2005年获北京市科学技术奖一等奖，秦国刚为第一完成人。
“ 纳米硅／纳米氧化硅体系发光及其物理机制”2007年获国家自然科学奖二等奖，秦国刚为第一完成人。
2008年获何梁何利奖物理学奖。
2014年北京大学国华奖
秦国刚先后指导博士生和硕士生和博士后60余名。博士生中金鹰获第21届半导体物理国际会议最佳青年论文奖和叶企孙物理奖一等奖。林军获叶企孙物理奖二等奖。2012年孟虎获国家奖学金。
近三十年来，已建立了自己的一套培养博士生的方法。例如：除非出差，秦国刚每周至少要与每个他指导的博士生讨论一次。要求学生在讨论前做好Power Point，小结前一周的成果、所遇困难和自己的新认识与新想法。讨论时，由学生先汇报前一周取得的实验或理论研究结果和存在的问题和自己的新认识和新想法。在此基础上，老师与学生一起分析这些研究结果、问题与想法，讨论如何解决困难，提出进一步的研究问题以至提出新任务或新课题。适时地要求学生总结已取得有成果和撰写学术论文。 |
