通知公告｜博士生答辩公告

移动作业机器人具有高度自组织、自规划、自适应能力，能够在复杂环境进行自主作业，可以替代人类完成重复性、重体力、危险的任务，已经被广泛应用于制造、农业、护理、军事和太空探索等领域。随着移动作业机器人的发展，人们希望机器人能够适应更加复杂的环境，例如障碍物繁多的野外环境、狭窄的加工车间等，在运动控制领域，这些复杂的环境不仅会为移动作业机器人带来未知的扰动，还会限制移动作业机器人的工作空间，这些不利条件与本身机器人自身具备的不确定性和物理结构限制结合在一起，为移动作业机器人运动控制策略的设计带来挑战。本论文围绕抑制多源扰动与实现多状态约束两个难题，研究了轮式移动机器人与移动机械臂两个经典移动作业机器人的轨迹跟踪问题，并基于这些研究成果，研制了航空制造移动作业机器人控制系统，并在该机器人系统上，完成了实验验证，开发了相应的控制软件，并通过多个实验验证了算法、软件与硬件的有效性。

飞机蒙皮广泛分布于飞机各个部位中，具有精度要求高、结构复杂、尺寸大的特点，是巡航空天抵御极端恶劣条件的强大屏障。面向蒙皮装配的机器人智能测量方法是指，通过获取飞机蒙皮部件的高精度三维型面信息，与需要装配的空位区域进行比较，分析蒙皮铣边误差分布，实现智能高效的机器人铣边装配，以避免装配质量影响飞机的运行性能，威胁飞行安全。本文综合考虑以上因素，针对大型航空复杂蒙皮测量难题，以尺寸多样的非标航空复杂蒙皮构件为研究对象，以高精度测量为目标，开发智能化机器人测量系统，对以装配为目的的蒙皮测量技术进行深入研究，提出多种三维视觉测量优化理论与方法，并应用到工程实践中。完成的主要研究工作与创新点如下：

1.提出一种基于图像和文本注释的工件模型快速生成方法。通过易获取的工件二维图像引导，设计了特征融合的条件扩散模型，快速生成目标工件高精度带纹理特征三维点云，提高了测量系统的运行速率，摆脱人为介入需求。

2. 提出了一种基于势能最优的判别优化自主定位方法。利用稀疏点云引导特征场的随机视角机器人视点采样点云配准，避开定位过程中冗长数据，实现蒙皮与机器人之间的高速高精位姿定位。

3. 提出一种基于最小能量优化的多视点蒙皮重建方法。基于严格最小势能模型的点匹配方程，摒除噪声、局部测量偏移的影响，实现了在线测量的大型航空复杂蒙皮高精度三维重建。

4. 提出一种系统性的大型航空复杂蒙皮关键型面边缘自动化检测方法。构建了工件表面采样点云的边缘概率描述子与多级分支搜索的边缘检测框架，实现高精度的铣边边界提取与检测，引导机器人智能化蒙皮铣边装配。

5. 开发了大型航空复杂蒙皮零部件测量的硬件验证平台，实现自动化、智能化的航空蒙皮铣边边界提取，对大型航空复杂蒙皮的智能装配研究提供了理论以及实验基础方案，验证了本文所研究方法的有效性。

研究内容

二维半导体和卤化物钙钛矿半导体都是优异的光电功能材料，但其在光电应用中单相结构都存在不足。对于二维半导体而言，其超薄的物理尺寸，导致三个本征缺陷。1. 原子级薄的体相导致不足的光吸收，导致低的载流子密度，因而限制了光电转换器件的效率和性能。2. 原子级的本征尺寸远远低于光学衍射极限，不能对光场形成有效的限制和维持有效的光学增益，因此限制了其在光子器件中的应用。3.表面即体相的物理特征促进了光激发载流子的超快复合，该过程与界面载流子转移形成竞争，因而导致了光子转换效率低，因此限制了光电器件的性能。对于卤化物钙钛矿而言，尽管其优异的光吸收性质，超长的载流子寿命/扩散长度等性质，但是对于集成光电器件应用来说，也面临着三大挑战。1. 软晶格特性衍生的超快结晶过程容易导致能量/结构无序态的形成，这不但影响器件的性能和稳定性，而且影响其本征物理性质的研究和异质集成器件的性能。2. 光子应用需要适合的钙钛矿微纳结构，比如，激光器件需要高质量的谐振腔满足光学反馈的要求。其次，平整的平面结构有利于与其他器件高质量集成，形成功能集成系统。目前广泛使用的液相加工法形成的是连续的薄膜，需要后处理或者微结构加工。3. 钙钛矿不可控的结晶生长和大的热膨胀系数导致其在CMOS兼容和光子平台上直接高质量异质集成非常困难，这进一步限制了其在芯片上光电集成器件的应用。

卤化物钙钛矿/2D材料范德华异质结是一种人工杂化异质结，其强大的协同优化能力不但能够改善单相材料性质的不足，而且可以通过按需调控其异质界面性质可以实现1+1>2的效果，为探索混合维度异质结的非常规物性研究和设计高性能，新功能器件提供了优质的材料候选平台。目前，合成卤化物钙钛矿/2D材料异质结的方法主要包括微机械力辅助的转移，前驱体预生长-化学插层转换法和溶液法自组装。这些方法通常存在产率低，重复性差，晶体质量差，多晶无序的(界面)结构，高密度表/界面缺陷和窄带隙钙钛矿集成不兼容等问题，导致对卤化物钙钛矿/2D材料混合维度异质结的基础物性研究和应用探索都远远落后2D/2D材料异质结。因此，探索高质量卤化物钙钛矿/2D材料范德华异质结的普适性合成方法，超快载流子动力学和光子应用对深入理解混合维度异质结的基础物理性质和应用探索都具有重要意义。本论文内容主要包含以下5章：

在第1章：绪论部分。对二维半导体、卤化物钙钛矿和卤化物钙钛矿/2D半导体范德华异质结的基本概念和最新研究进展进行了详细阐述。本文首先重点介绍了典型的二维半导体—过渡金属硫族化合物(TMDs) 的晶体结构，电子结构，光电性质和在电子器件和光子器件的应用。随后，我们详细介绍了卤化物钙钛矿的基本晶体/电子结构，结构特性，单晶的制备方法，光电性质，载流子动力学，光电器件应用，其中我们重点介绍了钙钛矿在光子器件中的光物理过程和最新的研究进展。接着，我们首先介绍了卤化物钙钛矿/2D半导体范德华异质结在调控材料性质和应用的优势，然后详细介绍了混合维度异质结的结构，制备方法，界面载流子动力学和目前在光电器件的应用。此外，我们重点分析和总结了目前卤化物钙钛矿/2D半导体范德华异质结在合成，载流子动力学和光电器件应用中面临的主要挑战。基于这些关键科学问题，我们深入分析了卤化物钙钛矿/2D半导体范德华异质结的研究意义，然后概述了研究思路和核心研究内容。

在第2章中，主要介绍了本研究实验过程用到的试剂，合成的前驱体材料及方法，表征方法和关键测试的仪器。重点说明了本论文用的较多的前驱体材料以及合成方法。最后系统的介绍了本论文中主要用到的材料表征方法、相关测试设备以及关键参数和基本原理。对于一些关键测试的简单原理(光学测试)和数据处理分析做了简单的阐释。

在第3章中，通过范德华外延生长了一系列卤化物钙钛矿/2D半导体异质结，并系统的研究其生长机理和生长动力学。我们首先对比研究了不同卤素钙钛矿对2D TMDs的刻蚀规律，然后通过合理的组分调控克服了刻蚀效应。随后，我们通过范德华异质外延方法合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结。卤化物钙钛矿/二维半导体异质可通过耦合特定钙钛矿外延层和二维半导体的需求定制。卤化物钙钛矿可以从全无机到有机-无机杂化钙钛矿，2D半导体可以从不同的单一二维半导体到二维范德华异质结构，包括CsPbI₃(CsPbI₂Br, MAPbI₃)/WSe₂(WS₂,MoS₂,MoSe₂)异质结和CsPbI₃(CsPbI₂Br)/SnS₂/WSe₂多异质结。这种广泛的可调性可以实现具有不同组分和空间排列的可编程异质结构，从而协同优化材料性能和器件性能和功能。外延钙钛矿具有高度晶面和生长取向选择性，即外延钙钛矿只沿着面外(001)方向生长，其外延取向总是沿着下层2D半导体的三重对称性(C_3V)对称轴，但在非范德华表面生长的钙钛矿是类金字塔形状晶体。通过DFT计算表明其机理来源于外延层在底层单层半导体的C_3V上形成的热力学有利的界面形成能以及界面能简并态。通过控制生长温度和生长时间，外延钙钛矿的成核密度，晶体尺寸和厚度都可以调控。此外，该范德华外延集成的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结对CMOS兼容衬底(SiO₂/Si)和光子兼容平台(Si和LiNbO₃)都具有普遍的适用性，为未来光电器件集成提供了有效途径。

在第4章中，通过飞秒瞬态吸收光谱测试选择性激发卤化物钙钛矿/2D半导体异质结，我们系统地研究外延钙钛矿的本征超快热载流子弛豫动力学和热载流子界面提取效应。以外延合成的CsPbI₃/WSe₂异质结为研究模型，正面激发异质结(从CsPbI₃方向), 详细研究了外延CsPbI₃钙钛矿的本征热载流子。外延的CsPbI₃钙钛矿作为光子吸收剂产生热载流子，其弛豫时间是非外延CsPbI₃钙钛矿的两倍。延长的弛豫时间是由于产生的不对称热双激子亚稳态作为热载流子存储中心和热声子瓶颈效应的共同作用延缓了热载流子弛豫，减少了能量损失通道，抑制了热载流子-声子级联衰变，促使形成热声子瓶颈效应。这是由于外延CsPbI₃钙钛矿具有低的无序态密度，避免了由于安德生局域化诱导的热载流子捕获，减少了热载流子弛豫过程的能量损失通道。此外，我们从反面激发异质结(从WSe₂面)，详细研究了其热载流子提取效应。在异质结中无悬键的WSe₂单层作为能量选择性接触，其能带嵌套结构可以很好地匹配CsPbI₃光敏层的激发态能级，从而为高效的热载流子提取提供了共振能级和能态。此外，单层WSe₂的极端量子约束效应和减少的介电屏蔽效应导致波函数延伸到原子薄层半导体的面外方向。这与界面处高能热载流子的本征离域效应共同作用能够形成大的轨道重叠，增强界面的离域电子耦合强度，有利于高效解离界面电荷转移态，提高萃取效率。在低载流子密度下(与太阳光照射强度相当)，实现了CsPbI₃/WSe₂范德华异质结中高达~91%的高效热空穴提取效率。通过对不同界面能级排列的CsPbI₂Br/WSe₂异质结构中热载流子提取过程的比较研究，我们发现界面高共振能态是控制热载流子提取的主要因素。这为开发热载流子驱动的高性能光电器件提供了材料选择和设计的原则。

在第5章中，以CsPbI₂Br/WSe₂异质结为模型材料，详细研究了其能量/结构无序态，光学增益和激光性能。通过稳态吸收光谱，瞬态吸收/反射光谱和截面扫描投射电子显微镜表征证明了外延CsPbI₂Br钙钛矿具有小/窄的带尾态，低的能量/结构无序态和低密度的表面缺陷。因此，CsPbI₂Br/WSe₂异质结表现出优异的光学增益性质，包括超高的光学增益系数(12,000 cm ⁻¹)、低的增益阈值(6.0×10¹⁷ cm⁻³)和长的增益寿命时间(98 ps)。这归因于减少的能量/结构紊乱(能量/结构无序态)，在光生载流子形成增益的过程减少能量损失和载流子捕获概率，因而有利于降低粒子数反转的阈值。相应地，自组织卤化物钙钛矿/二维半导体异质结激光器具有鲁棒的单模激光发射，降低的激光阈值和增强的稳定性。通过测试CsPbI₃钙钛矿和CsPbI₃/WSe₂(WS₂)的激光发射性能，我们发现其也有类似的单模激光发射，降低的阈值，这说明异质结激光发射也具有良好的普适性。此外，异质结中自然集成的2D半导体可以作为电荷传输层，这为未来发展电泵浦的钙钛矿激光提供了潜在的材料平台。

主要创新点

(1)  普适性的晶面选择性生长高质量卤化物钙钛矿/2D半导体范德华异质结

通过直接的范德华异质外延方法合成了一系列高质量的单晶卤化物钙钛矿/2D半导体异质结。卤化物钙钛矿/二维半导体异质可通过耦合特定钙钛矿外延层和二维半导体的需求定制。卤化物钙钛矿可以从全无机到有机-无机杂化钙钛矿，2D半导体可以从不同的单一二维半导体到二维范德华异质结构，包括CsPbI₃ (CsPbI₂Br, MAPbI₃)/WSe₂ (WS₂,MoS₂,MoSe₂)异质结和CsPbI₃ (CsPbI₂Br)/SnS₂/WSe₂多异质结。这种广泛的可调性可以实现具有不同组分和空间结构的异质结，从而协同优化材料性能和器件功能。外延钙钛矿具有高度的晶面和生长取向选择性，其机理是外延钙钛矿层在底层单层半导体的三重对称性晶格上形成的热力学有利的界面形成能以及界面能简并态。此外，该范德华外延集成的卤化物钙钛矿/二维半导体异质结对CMOS兼容衬底(SiO₂/Si)和光子兼容平台(Si和LiNbO₃)都具有普遍的适用性，为未来光电器件，光子器件和光电融合系统的单片集成提供了可选择的方案。

(2)  卤化物钙钛矿/2D半导体异质结的超快载流子动力学

外延的CsPbI₃钙钛矿作为光子吸收剂产生热载流子，其弛豫时间是非外延CsPbI₃钙钛矿的两倍。延长的弛豫时间是由于外延钙钛矿中低密度的能量/结构无序态和产生的非对称热双激子亚稳态作为热载流子存储中心导致的热声子瓶颈效应延缓了热载流子弛豫。具体来说，外延CsPbI₃钙钛矿具有低的无序态密度，避免了由于安德生局域化诱导的热载流子捕获，抑制了热载流子弛豫过程的能量损失通道和降低了热声子瓶颈效应的阈值载流子密度。在外延异质结中无悬键的WSe₂单层作为能量选择性接触，其能带嵌套结构可以很好地匹配CsPbI₃光敏层的激发态能级，从而为超快和高效的热载流子提取提供了共振能级和能态。在低载流子密度下(与太阳光照射强度相当)，实现了CsPbI₃/WSe₂范德华异质结中高达~91%的热空穴提取效率。通过对不同界面能级排列的CsPbI₂Br/WSe₂异质结构中热载流子提取过程的比较研究，我们发现界面高共振能态匹配是控制热载流子提取的主导因素。这为开发热载流子驱动的高性能光电器件提供了材料选择和设计的原则。

(3) 卤化物钙钛矿/2D半导体异质结激光

CsPbI₂Br/WSe₂异质结构表现出优异的光学增益性质，包括超高的光学增益系数(12,000 cm ⁻¹)、低的增益阈值(6.0×10¹⁷ cm⁻³)和长的增益寿命时间(98 ps)。这归因于低的能量/结构无序态，在光生载流子形成增益的过程减少能量损失和载流子捕获概率，因而有利于降低净增益和粒子数反转的阈值。相应地，自组织卤化物钙钛矿/二维半导体异质结激光器具有鲁棒的单模激光发射，降低的激光阈值，良好的相干性，增强的稳定性和普适性。此外，混合维度异质结中自然集成的2D半导体可以作为电荷传输层，这为未来发展电泵浦的钙钛矿激光提供了潜在的材料平台。