氧化锌基材料能带结构与光电性能的调控机理及应用
成果简介
白光照明和太阳能电池是国家重点发展节能产业，而目前蓝光GaN- LED和ITO透明导电膜是这两大产业的重要基础，但其结构（InGaN、In2O3:Sn)中必须使用铟(In), 而铟地质储量仅1万多吨，按目前使用速度将很快枯竭。半导体氧化锌(ZnO)可发紫蓝光，透明导电；物丰价廉、环境友好，具有可持续发展优势，在白光照明与透明导电膜等节能领域应用潜力巨大。ZnO光电应用需要解决两大难题：一是p型掺杂技术，二是能带结构和光电性能调控机理；两者相对独立，又互为支撑，而能带调控理论是亟需解决重要基础科学问题的国际研究热点。本项目主要针对解决这个基础科学难题，研究揭示了能带结构与光电性能的调控机理并获以下创新工作：
1、揭示了尺寸与组分对低维ZnO基材料带隙宽带的调控规律，ZnO/ZnMgO多量子阱实现了能带工程。制备了尺寸可调的ZnO量子点并实现了尺寸调节带隙；克服了零维半导体“自纯化-难掺杂”国际难题, 首次制备出 ZnMgO和ZnO/MgO量子点零维材料, Mg组分和核壳异质结调节了带隙；揭示了Cd与Mg组分对ZnCdO和ZnMgO纳米棒的带隙调控规律；首次制备出硅基ZnO/ZnMgO多量子阱二维结构，有效抑制缺陷发光，探索了一条高效发光重要途径。
2、首次揭示了Mg组分与维度调节ZnO激子束缚能的机理，为通过激子束缚能调控发光效率提供新思路。研究发现了低维ZnO激子束缚能不仅受量子效应影响, 而且可由Mg组分产生的带隙弯曲效应来调节；发现了一维和零维影响激子束缚能不同机理：一维主要是表面效应，零维主要是量子效应。
3、首次阐明了III族组分与维度调控ZnO激活能的机制，为通过激活能调控n型ZnO电学性能提供新方法。研究发现了低维ZnO中III族Al激活能不同于体单晶，阐明了原因是表面能带弯曲；发现了Al组分调节n型ZnO导电性能存在电子迁移率突变现象，提出晶内团簇散射新概念和公式合理解析了机理。
4、自主发展了Al、Ga组分调节n-ZnO光电性能薄膜技术，初步应用效果良好。电子浓度1021cm-3, 可见光透过率90%，最高红外反射率72%为国际报道最好值；作为透明电极在晶硅太阳能电池和GaN-LED中应用，提高了器件性能。
本项目共发表SCI论文90篇，SCI他引1348次，发表在材料物理领域重要国际期刊JACS、Adv. Mater. PRL、APL上论文20余篇，授权发明专利6项。美国文理科学院院士P. Kamat教授在高端期刊Chem. Rev. (IF=33.0)综述论文中正面引用了本项目创新工作。国际纳米材料委员会主席德国H. Hahn教授肯定了本项目创新点。多位我国院士和国际著名ZnO专家在《Phys. Rev. Lett.》、《Nano Lett.》、《Adv. Mater.》、《Chem. Mater.》、《Apl. Phy. Lett.》等重要期刊中正面引用本项目论文。在国际学术会议上作报告10余次，获国际同行广泛关注认同并产生重要影响。
