ZnO极性生长过程中本征缺陷形成与控制的理论研究

ZnO has been regarded as a potential candidate for short-wavelength photoelectric devices for a long time. However the p-type doping problem of ZnO has not been overcome very well, which limits the application of ZnO in the short-wavelength photoelectric field. The key of solving the p-type problem of ZnO is to suppress the self-compensation from the intrinsic donors to the impurity acceptors. However, up to now, the origin of the background electron concentration is still unknown, as a result it is difficult to propose a targeted strategy to depress the self-compensation effect. In this project, we will study the formation mechanism of intrinsic defects in ZnO during MBE growth by fist-principle calculation to explore the possible source of donors, and we will verify this by experimental measurement. After that, basing on the theoretical result, we will propose practicable strategy to depress the formation of intrinsic donors during ZnO growth to prepare high-quality ZnO films. This work will provide the basis and support for solving the p-type doping problem of ZnO in the future.

长久以来ZnO一直被认为是制备短波光电子器件的理想材料。然而ZnO p型掺杂问题一直没有得到很好的解决，限制了ZnO材料在短波光电子领域的应用。解决ZnO p型掺杂问题的关键在于抑制本征施主对掺杂受主的自补偿效应。但是到目前为止ZnO中高背景电子浓度来源尚不清楚，因而难以针对性的提出克服本征自补偿效应的有效方案。本项目拟采用第一性原理方法研究MBE极性生长ZnO过程中本征缺陷的形成机理，探索ZnO中可能存在的施主来源，并通过实验测试加以验证。然后根据理论计算结果提出可行的抑制本征缺陷形成的生长策略，制备高质量ZnO薄膜。为进一步解决ZnO的p型掺杂问题提供依据和支持。

ZnO材料在制备短波光电器件方面具有许多得天独厚的优势。然而难以获得高效稳定的p型ZnO一直是限制该材料未来发展的世界型难题。解决ZnO p型掺杂困难的关键在于有效的抑制本征施主缺陷的自补偿效应。针对这一问题，本项目采用第一性原理方法研究ZnO极性生长过程中本征缺陷的形成，以加深人们对于ZnO中本征缺陷的认识，为将来采取针对方案抑制ZnO中的本征施主缺陷，进而获得稳定高效的p型ZnO提供理论基础。 为解决ZnO的p型掺杂困难我们也开展了一部分新型ZnO受主源的探索研究。另外我们也将解决ZnO的p型问题的思路和经验应用于新型储能装置、微波隐身材料等面向国家重大战略需求的领域中，并取得了一些成果。在国家自然科学基金青年科学基金资助的三年以来，课题研究基本达到既定目标，取得的研究进展如下：1.在本征ZnO极性生长过程模拟的研究中，我们发现无论在Zn极性表面还是O极性表面，相较于笼式结构ZnO团簇，平面结构的ZnO团簇最容易在ZnO极性表面吸附。另外平面结构ZnO团簇中,六元环结构的ZnO团簇最容易在ZnO极性表面吸附。2.我们从理论上研究了ZnO极性生长过程中缺陷的形成，研究发现O空位和Zn间隙缺陷容易形成于O极性生长过程中。以此结果为依据，我们提出富O条件下Zn极性方向生长有利于抑制ZnO中本征施主缺陷的形成。3. 我们研究了Cu掺杂ZnO实现p型电导的机理。计算结果表明Cu容易占据ZnO晶格中Zn格点位置形成替位缺陷，然而Cu替位Zn缺陷为深受主缺陷，并非直接的受主来源。但Cu的掺入可以使形成Zn空位的反应势垒降低1.06eV。4.我们通过硅胶封装方法实现了ZnMgO日盲紫外探测器的响应度和稳定性的提高。器件封装后-3dB截止波长为295nm，响应度高达191AW-1。5.我们为超级电容设计了微孔碳/Ag/PMA复合体系电极，该体系能够在500Wkg-1的功率密度下提供5.68Whkg-1的能量密度，该数值为本征活性微孔炭的1.8倍，超过绝大多数已报道结果。6. 我们通过飞秒激光脉冲成丝技术成功制备黑色TiO2，经飞秒激光光丝处理后的TiO2粉末在宽谱范围（400-2500nm）吸收特性都有了明显的提高，微波区域的吸收也有了一定的改善。