同位素示踪法研究氧化物本征点缺陷的能量学

It is generally accepted that native point defects play a central role in physical properties and industrial applications of various functional oxides, considering the fact that they dominate various diffusion mechanisms involved in doping and its limitation, processing and device degradation, minority carrier lifetime, and luminescence efficiency etc. However, the fundamental understanding of them is still very sparse. The theoretically derived defect energetics possesses huge uncertainties due to the finite-supercell formalism and the inaccurate description of the band structure, and little is known about the electronic states and energetics of them experimentally. Here we will apply isotope tracers in the investigation of some native point defects energetics in MgZnO, Cu2O, and Al2O3, via atoms’ self-diffusion in isotopic heterostructures with delicately-controlled chemical potential and Fermi level. MgZnO and Cu2O single crystal films will be fabricated by molecular beam epitaxy (MBE) and Al2O3 by atomic layer deposition (ALD) technique. The diffusion process will be activated by high-temperature annealing, and the diffusion profiles be recorded by SIMS measurements. Temperature-dependent Hall and C-V facilities will be adopted to determine the Fermi level of these materials. Combined with the modulation of chemical potentials of the component elements, the native point defects energetics will be systematically studied to reveal the dependence of defect formation energy on Fermi level and chemical potentials. Moreover, the correlations between these defects and some fundamental issues regarding the materials’ properties and devices’ performance will be explored also. This methodology can be extended to other technologically important oxide materials to bolster momentum of related defect energetics research.

固体中的本征点缺陷与材料的物理性质及器件性能密切相关，对其能量学特性的理解和控制是解决材料和器件研究中关键科学问题的重要物理基础之一，对于实现其产业化应用具有深远的科学意义和重要的研究价值。目前理论上得到的缺陷能量学特性存在着很多矛盾的地方，实验方面则还没有发现重要进展。本项目拟利用同位素示踪法研究MgZnO、Cu2O、Al2O3等功能氧化物中本征点缺陷的能量学特性，结合生长过程可控的分子束外延（MBE）与原子层沉积（ALD）两种生长技术，以及SIMS、变温霍尔、变温C-V等测试手段，通过对上述几种同位素异质结的化学势和费米能级两个重要参量进行有机调控，获得这几种材料中某种或某几种本征点缺陷的形成能及浓度对费米能级及化学势的依赖关系，及该缺陷的电学特性等一系列重要参数，发展出一种直接地、准确地探测并表征氧化物本征点缺陷的物理特征的先进方法---同位素示踪技术，获得该基础研究领域的重大突破。

氧化物功能材料中有丰富的点缺陷，它们对材料的物性及器件性能有着举足轻重的影响，我们亟需对相关的缺陷科学开展系统深入的研究，为解决材料应用过程中的关键科学问题、探索具有新机制的应用场景等奠定扎实的物理依据和工艺基础。.本项目主要开展了如下工作：（1）研究了ZnO和In2O3两种重要的透明导电薄膜中相关点缺陷的能量学特性及自补偿机理，澄清了氧空位（VO）作为主要的施主缺陷，导致了两种材料非故意掺杂的n型电导特性；（2）确定了Ga掺杂ZnO中(GaZn-VZn)-复合缺陷的形成能（0.78eV）和发光寿命（10~20ns），探索了它与Ag表面等离子体耦合的光增强效应，它具有更高的光学稳定性，因而在纳米光子学中具有潜在的应用价值；（3）研究了MgZnO合金薄膜中Mg组分及极性对VO形成能的重要影响，发现适量Mg（x≤0.02）的掺入对VO的形成具有一定的抑制作用；另一方面，O极性会提高VO的形成能，有助于进一步减少材料中的VO；（4）利用电场调控下的氧同位素示踪实验，研究了电场条件下非晶Al2O3栅绝缘层材料中的原子扩散行为及其对器件性能的影响，在此基础上开展了薄膜晶体管器件的制作与性能优化工作；（5）针对新兴超宽带隙Ga2O3材料展开了氧原子的扩散实验研究，初步获得了扩散系数对时间的依赖关系，为该材料在光突触、忆阻器等领域的潜在应用奠定了一定的物理基础；（6）利用上述材料，在氧化物柔性电子学材料和器件领域进行了一系列原创性的研究工作，在微纳能源管理—柔性高压二极管和高压能量管理系统的构筑与研究、柔性光电子学关键元器件—柔性日盲紫外探测器\X射线探测器的制备与性能优化等领域获得了重要突破和进展。.上述工作对深入理解本征点缺陷的行为特征、揭示自补偿机理、解决p型掺杂及拓展点缺陷应用等核心科学问题具有重要的意义；发展出了一种直接地、准确地探测并表征氧化物本征点缺陷的物理特征的先进方法---同位素示踪技术，获得了该基础研究领域的重大突破，为实现材料的产业化应用可提供有效的物理依据和工艺途径。