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半导体薄膜技术的优势在于材料可以人工设计，根据科技人员预先设计的原子排列结构制备材料，从而达到所需的性能。叶志镇所从事的半导体薄膜研究，就希望在此有所突破。
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1990年，叶志镇作为高级访问学者，到美国麻省理工学院（MIT）从事低温外延优质硅薄膜研究，这是一项事关下一代超大规模集成电路与微电子高技术发展的重大课题。凭借着优越的实验条件，经过半年的努力，他提前完成了一个先进的超高真空薄膜设备的研制。接着，他又将目标对准了低温生长硅外延及外延层的性能评价研究。在550℃下由硅烷热分解，成功地生长出高质量的硅外延层。
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1992年3月，归心似箭的叶志镇回到浙江大学。“自己能早一天回去，就能早一日把掌握的最新技术带回来，带动国内的硅材料研究。”回国后他被委以重任，出任硅材料国家重点实验室副主任。
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1994年，他与中科院沈阳科仪中心合作创建了国内第一台结合RHEED在线监控功能的超高真空（UHV）CVD外延系统，而后又建设了更先进的UHV／CVD-II型外延设备；他率先发展了高真空CVD低温外延整套先进的半导体薄膜新技术，打破了半导体技术领域的先进设备与技术被发达国家垄断的局面，现在该技术已在全国20多家单位推广应用。
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1999年，叶志镇又建立了首台高真空MOCVD外延设备，硅基GaN外延与器件研究取得了重要成果；2001年后，他又建立了具有我国自主知识产权的ZnO生长专用的等离子辅助的MOCVD外延系统、激光脉冲沉积（PLD）和磁控溅射装置等多台先进的薄膜设备，为半导体薄膜研究与发展建立了具有先进水平的研究平台，在硅基薄膜生长与光电器件研制上做出了特色成果。
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从2000年开始，叶志镇带领课题组在国家“973”计划、国家自然科学基金重点项目等资助下，开展“ZnO基材料生长、p型掺杂与LED基础性研究”。
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“目前在短波长LED领域，GaN的开发应用占主导地位，并形成了很大产业。但Ga稀有且昂贵，而且日本垄断了GaN发光器件相关的大部分关键技术。”叶志镇介绍说：“ZnO是一种直接宽带隙半导体材料，室温下能产生高效的近紫外发光，有望成为一种理想的短波长发光器件材料，因而受到全世界相关领域科学家的关注，成为一个前沿课题和研究热点，得到众多发达国家政府和企业的重视和支持。”
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“我们是在和世界赛跑。”叶志镇说，浙江大学从1988年开始ZnO的研究，是国际上最早开展ZnO研究的单位之一。“ZnO要实现光电应用，必须实现高质量p型ZnO的可控掺杂。这是制备ZnO-LED和LDs的重要基础，也是一个国际性的科学难题。”
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叶志镇带领课题组在ZnO的p型掺杂方法及其机理、高质量ZnO基材料生长及其机制和同质ZnO的pn结研制及室温电致发光实现等关键问题开展研究，不断取得新发现、新突破。
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“搞研究并不是想像的很枯燥，或者是很浪漫。搞研究最大的好处是不断有新的现象发现，很有乐趣。”叶志镇回忆说，“2003年，我们在研究中发现了随温度生长Al-N共掺的p型ZnO导电类型n与p互变的新现象。比如说，380℃是n型，450℃是p型，到560℃又是n型，到800℃又是p型……很奇怪。”叶志镇说，这个结果出来以后，受到广泛的质疑，投寄的3篇论文全被退回。“他们认为这是瞎扯么，怎么会有这样的现象？！”
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事实是客观存在的，叶志镇相信自己的研究。“可能是我们没有讲透彻，接下来我们就进一步地研究。”不久，他建立起N、H共激活理论，描述了导电类型互变的机理，也为实现Al-N共掺ZnO薄膜n型与p型的实时可控生长提供理论指导。成果在2年后的2005年5月，刊登在国际公认权威杂志美国《应用物理通讯》上，被正面引用10多次。
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但有很多研究成果能立竿见影。“我们有3篇论文一发出，当天就被材料领域国际一流杂志接受发表。”叶志镇说，“因为研究成果创新明显，这些期刊杂志的主编看到了，他认可了这个创新，就不用评审直接录用了。”
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2005年，叶志镇研制成功同质ZnO发光二极管原型器件，在国际上第二个实现室温电注入发光，但具有更可行的工业化背景，受到国际业内的认可和关注，他们认为：“这是ZnO向器件迈出了突破性的一步。”2006年，“ZnO基材料生长、p型掺杂与LED基础性研究”获浙江省科技（自然科学）一等奖。
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2006年12月，一年一度的国际权威的材料盛会（MRS）在美国波士顿召开，作为国内材料领域ZnO方向的唯一代表，叶志镇应邀在ZnO及相关材料的分会作特邀报告。在这个近万人的国际材料盛会上，他介绍了ZnO的p型掺杂和LED的研制情况。受邀作特邀报告的还有美国、日本和德国等的几位国际权威专家。近年来，他共在11次国际学术大会上作7次邀请报告和9次大会报告，在国际同行中产生重要影响。
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开拓有机半导体研究的新领域
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汪茫首次接触“有机半导体”是在1986年。当时，广东湛江的一家复印机厂找上门来，请求浙江大学帮助研制复印机的核心部件——有机光导鼓。
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“这家企业引进了日本佳能的生产线，进行复印机的散件组装。其中，这个有机光导鼓只能从日本购买，价格非常昂贵。他们希望我们能研制替代品。”汪茫回忆说，当时复印科学与工程技术学会的理事长是浙江大学44级毕业的校友，他向这家企业推荐浙江大学来进行技术攻关。
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上世纪80年代中期，国内高分子化学正在寻找新的方向。此前，汪茫一直跟随杨士林先生从事高分子化学的教学与科研工作。“杨先生拍板接下了这个‘硬骨头’。他认为这个项目虽然很难，但研究成功可以替代进口，具有非常大的实际应用价值。更重要的是，在有机光导机制的理论研究上具有很大的空间。”
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任务接下来后，汪茫做的第一件事是去了解：“什么叫光导？”“我们不懂，没有这方面的基础。”汪茫说，这时候，学校多学科的优势起到很大的作用。“我跑去请教物理系、光仪系、信电系的老师，再加上我自己在化学合成方面的基础，很快就弄明白了。”
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开始是仿制，把日本的产品拿过来，拆开，进行剖析。“日本人号称这个东西是剖析不了的，我们只用了三个月就给它剖析得清清楚楚了。”但当汪茫把这个技术提供给厂方时，厂方却拒绝了，因为这个产品在日本已经淘汰，他们要求开发新的。“这给我们一个启示，不能跟着人家屁股后面走，我们必须创新，搞出自己的东西。”
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1987年，汪茫带领课题组开始进行酞菁类有机半导体的研究。当时，国外已经对酞菁进行了相当深入的研究，但国内因为测试设备缺乏，研究比较困难。“在国外，酞菁铁的研究基本上是被否定了。但因为它便宜，我们还是想试一试，看能不能提高它的性能。”
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但是，在实验室的研究始终没有突破性的进展。“我们改变了各种条件去实验，性能也有了，但仍然很差。”汪茫回忆说，就在实验已经做不下去的时候，一个学生不经意的一句话，拓展了他的思路。这个同学问：“我们能不能搞复合材料？”
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“这是一个非常大胆的设想，也是一个观念上的创新。”汪茫说，传统半导体材料要求纯，即使是掺杂，也只有万分之几的比例。搞复合，要50％、25％的比例加入，简直就是对传统观念的一种颠覆。
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在汪茫的指导下，酞菁铁和酞菁铜的复合试验取得成功，新材料的性能有了数量级的提高。随后，课题组对新材料从结构上进行了理论分析，发现了酞菁类复合光电导材料的协同增强效应，建立了有机半导体材料的“电荷逐步转移”理论模型，从而揭示了有机半导体材料光电导过程的机制。
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1989年，在日本东京举行的“电摄影”国际会议上，杨士林代表浙江大学宣读了课题组的研究成果。1990年，成果在日本《电子写真》杂志正式发表，这是国际上首篇研究有机复合半导体材料的论文。1992年，日本开始跟着研制酞菁类有机复合半导体材料。1995年，该成果获国家教委科技进步三等奖。
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