《科学通报》2020年第25期邀请北京科技大学张跃院士作为特邀编辑，组织出版专题"氧化锌材料与应用的前沿科学问题"，敬请关注！
编者按
宽禁带氧化锌半导体材料的未来与挑战
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张跃
北京科技大学教授, 中国科学院院士. 主要从事低维半导体材料、功能器件及其服役行为研究.
第三代半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高激子束缚能、高饱和电子漂移速度的典型特征, 在半导体照明、下一代通信技术、能源互联网、高速轨道交通、电力电子器件与新能源器件等领域应用广泛, 已经成为未来半导体材料领域全球战略竞争新高地. 近年来, 美国、日本、英国、欧盟等国家和地区分别通过启动国家计划、设立国家创新中心等方式, 持续加大对第三代半导体材料与器件的基础研究, 不断推进其技术实现应用突破. 自2016年以来, 我国将“重点加强极低功耗芯片、新型传感器、第三代半导体芯片”等纳入《十三五国家科技创新规划》和《十三五国家战略性新兴产业发展规划》中. 科学技术部分别在新能源汽车、战略性先进电子材料、智能电网技术与装备等国家重点研发计划专项中设立多个研究项目, 针对第三代半导体材料基础与应用的关键科学问题开展研究.
氧化锌因具有稳定丰富的低维结构、优异的室温激子稳定性和易掺杂调控的电学性能, 在第三代半导体材料体系研究中独具特色. 压电电子学与压电光电子学已经成为氧化锌和第三代半导体材料研究领域最为独特和最具创新力的研究方向之一. 氧化锌具有阳离子和阴离子形成的非中心对称结构, 因此将外力作用下产生的压电势与其半导体输运性能耦合, 可以实现以应变为“门”调控晶体管输运性能的压电电子学效应和调控异质结光电响应的压电光电子学效应. 该方法成功建立了应变与界面载流子输运行为调控的有效联系, 从器件构筑、性能调控等方面打开了全新的研究领域. 在发光器件研究领域, 六角纤锌矿结构的氧化锌端面与侧面以及随机散射形成的光学反馈, 使得低维氧化锌具有天然的谐振腔结构特点, 可以获得多种振荡方式的激光发射. 如何实现振荡模式的有效调控与单模激光高效输出是氧化锌激光器面向实际应用的主要挑战. 在透明导电薄膜研制方面, 氧化锌可见-近红外波段透过率超过90%, 具有易刻蚀、抗辐射能力强、与光电器件工艺兼容性强等特点, 使其成为代替氧化铟锡(ITO)的重要候选材料. 如何通过有效掺杂获得高电导率和高透光率的高质量氧化锌薄膜是该领域的重要发展方向. 实现稳定的p型氧化锌是公认的国际难题, 而氮掺杂仍然被认为是解决这一难题的有效途径. 深入理解氧化锌本征缺陷结构与掺杂原子的作用关系, 对推动氧化锌p型掺杂难题具有重要科学意义. 在光伏器件研究中, 氧化锌是理想的电子传输层材料体系之一. 通过低温合成工艺获得高结晶质量的低维氧化锌结构, 可以实现光生载流子输运行为的有效调控, 促进光生电荷的快速分离与传输, 在柔性钙钛矿光伏电池和叠层钙钛矿电池领域优势明显. 如何实现氧化锌/钙钛矿光伏器件服役稳定性的显著提升是该领域亟待解决的关键问题.
为了集中体现我国学者在氧化锌领域的研究成果, 促进同行间的学术交流, 《科学通报》特此组织出版了“氧化锌材料与应用的前沿科学问题”专题, 内容涉及氧化锌压电电子学和压电光电子学器件、氧化锌掺杂方法与机理、氧化锌透明导电薄膜、氧化锌发光器件、以及氧化锌在能量转换器件中的应用等方面. 本专题的编辑出版得到了中国科学院北京纳米能源与系统研究所、南京大学、东南大学、东北师范大学与北京科技大学等单位相关研究组的大力支持, 在此表示衷心的感谢. 希望通过本专题的出版, 能使读者了解我国在氧化锌材料研究的最新进展和动态, 活跃本领域的交流与合作, 并最终促进我国第三代半导体研究的快速发展.
基于第三代半导体的压电电子学和压电光电子学器件
朱来攀, 翟俊宜, 王中林
压电电子学和压电光电子学效应普遍存在于第三代半导体中, 其近年来在基础科学和器件应用方面取得了巨大研究进展. 本文对近几年这两个领域在器件应用方面的实验进展做了简要综述, 并对这两个学科的未来发展进行了展望.
阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的研究进展
马剑钢, 林东, 李鹏, 杨国春, 刘益春
总结了阴阳离子共掺杂ZnO透明导电薄膜的最新研究成果, 分别从理论和实验两方面阐述了不同阳离子与阴离子组合共掺杂对ZnO薄膜光学、电学和热稳定性的影响规律, 并分析了相关研究所面临的问题和挑战.
氧化锌微腔激光的模式调控
石增良, 王茹, 刘威, 卢俊峰, 王潇璇, 徐春祥
从微腔模式的基本理论出发, 阐述了传统静态调控方式在ZnO微腔激光模式调控中的结构设计与研究进展, 讨论了不同物理效应调制折射率实现的动态调控, 综述了表面等离激元效应在实现纳米激光调控方面的最新进展.
N掺杂ZnO的缺陷识别与物性调控
汤琨, 姚峥嵘, 许钟华, 杜倩倩, 朱顺明, 叶建东, 顾书林
结合近年来相关研究, 叙述并讨论了N掺杂ZnO中主要缺陷的性质和调控, 就p型掺杂难题探讨了几类新型受主的实验诱导及等价元素-受主共掺技术增强p型掺杂效率的机理, 介绍了ZnO在发光、探测和存储器件上的应用.
ZnO纳米结构及其在钙钛矿光伏电池中的应用
司浩楠, 张铮, 廖庆亮, 康卓, 张跃
系统综述了ZnO材料的优异性能以及常用制备方法,阐述了各种型貌ZnO在钙钛矿光伏电池中的研究进展, 着重讨论了ZnO基钙钛矿光伏电池的性能优化方法, 总结了ZnO材料作为钙钛矿光伏电池电子传输层所面临的问题和挑战, 指出了ZnO基钙钛矿光伏电池潜在的发展方向.
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