《低维氧化锌材料的反向掺杂、表/界面与微结构调控及光电性质研究》

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ZnO是一种重要的光电功能材料,具有带隙宽和激子束缚能高的特点,是发展紫外光发射器件的理想材料,在信息、能源、军事等领域有重要应用前景。低维ZnO材料具有的量子限域效应和优异电学输运特性,有利于提高ZnO的紫外发光效率和器件的光电转化效率。在该领域中,实现低维ZnO的有效受主掺杂以获得高质量P型材料,抑制低维ZnO表面/界面相关的无辐射复合和深能级辐射复合以提高其紫外光发射效率,增强低维ZnO的量子限域效应和提高激子束缚能以获得高温、高效紫外激子发射,已成为发展低维ZnO高效紫外光发射材料和实现其器件化亟待解决的重要科学问题。该项目针对上述问题,开展了低维ZnO材料的掺杂、表面,界面与微结构调控及其光电性质的研究工作。主要发现点如下:(1)首次提出了反向掺杂的学术思想,发明了热氧化Zn<,3>N<,2>的方法,实现了氧对氮的反向掺杂,获得了氮掺杂的p型ZnO,该方法被国内外学术界评价为“获得稳定p型ZnO的有效途径之一”。该技术路线克服了氮受主在ZnO中固溶度低而难于获得高空穴浓度和氮进入ZnO氧格位形成能高而难于形成替位掺杂的困难,实现了ZnO纳米晶薄膜的p型掺杂,为获得高质量稳定的p型ZnO材料提供了新的思路。(2)发现了在ZnO量子点、纳米线和纳米管等材料中普遍存在着紫外发光随温度升高而增强的反常现象,建立了针对低维材料体系的“多能级表面态”理论模型;利用形貌控制、介质包埋、表面钝化和掺杂等方法实现了对低维ZnO材料表面缺陷及发光性质的调控,为获得高效紫外光发射材料提供了有效途径。(3)首次发现了857K高温下ZnO单晶纳米片仍具有高效激子发射的现象。通过高压拉曼和发光谱学推断出ZnO纳米片中存在着小尺寸“次级结构”;揭示了小尺寸“次级结构”具有的强量子限域效应和纳米片自身的微腔效应是产生高温下激子高效发射的物理机制,为发展ZnO基高温紫外光发射材料与器件奠定了基础。该项目的研究成果受到国内外广泛关注,被包括《Adv.Mater》、《Appl.PhysLett》、《J.Am.Chem.Soc》、《small》、《Nano Res》等在内的国际权威期刊及专著引用。其中,8篇代表性论文SCI他引521次,单篇最高SCI他引155次;20篇主要论文SCI他引942次。获教育部高等学校科学技术奖(自然科学奖)一等奖1项。

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