ZnO是一种宽直接带隙半导体,室温下带隙为～3.34 eV,激子结合能为～60 meV。这种材料的高效紫外发射可以利用在固态白光照明装置中。通过其他元素的掺杂,可调控ZnO的带隙缩小到可见光谱区域,使之应用于太阳能电池和LEDs等发光显示器件上;通过其他元素的掺杂调控,可对ZnO的结构特性和物理性能进行适当的改变,使之在光电子学、透明薄膜晶体管（TFTs）、纳米结构材料、自旋电子学（自旋+电子学）等广泛应用领域的研究兴趣不断升温。因此,对ZnO薄膜进行其他元素的掺杂后,可达到优化光电特性和赋予其他物理特性的研究,具有重要的理论价值和实际应用价值。离子注入技术广泛应用于半导体掺杂和材料表面改性等方面,其用于薄膜掺杂时将薄膜的制备和掺杂分开处理,可以解决ZnO薄膜在掺杂和制备过程同时进行时存在的重复性和稳定性不够理想等难题。本文选择在c面蓝宝石衬底上利用分子束外延技术（MBE）制备了 ZnO薄膜,为了提高ZnO晶体与蓝宝石衬底间的晶格适配度,将MgO缓冲层生长于两者之间,因此大大提高了 ZnO薄膜的晶体质量。其次,将Co离子、Sm离子、Mn离子和As离子分别或共注入到ZnO薄膜中,利用原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱、光致发光光谱、吸收光谱、透射光谱和椭圆偏振光谱等表征方法,系统地研究了不同类型的离子注入对ZnO薄膜结构和光电性质的影响,并通过第一性原理计算分析了注入Mn离子的ZnO薄膜具有半金属性质的机制。主要的研究内容和成果如下:1.Co离子和Sm离子分别和共注入O-极性ZnO薄膜后,可致ZnO薄膜表面粗糙度变大,但共注入薄膜的表面形态比单注入样品的平坦;X射线衍射光谱与拉曼光谱的测定表明ZnO薄膜具有良好的质量和纤锌矿结构;Sm离子注入ZnO薄膜的紫外发光峰印证了稀土元素的发光特性。此外,吸收光谱和椭偏光谱表明,离子注入后ZnO薄膜的光学带隙变小,深入探究发现,这是由于离子注入导致晶格缺陷的产生以及带隙以下的散射损失增大所致。2.采用密度泛函理论对未注入的和Mn离子注入的ZnO薄膜进行了第一性原理计算,计算了纤锌矿超晶胞（3 × 3 × 3）ZnO的能带结构。计算结果表明:Mn离子注入后,价带向高能方向移动,导带向低能方向移动,使得Mn离子注入后的带隙值小于未注入ZnO的带隙值。在费米能级附近,Mn-3d轨道上有一个自旋向上的态密度,但没有自旋向下的态密度,所以Mn离子注入的ZnO薄膜具有了半金属性质。3.不同浓度的非金属元素As离子和同一浓度的过渡金属元素Mn离子共注入到ZnO薄膜后,薄膜的光电性质随着As离子浓度的增大而发生变化。在表面形貌上,随着浓度的增大,表面的颗粒感愈发明显。在晶格结构上,X射线衍射光谱没有发现其他与As或Mn离子相关的杂质相,表明共注入并未影响ZnO薄膜的纤锌矿结构,也未明显改变其结晶质量;其次,由于晶格缺陷的存在,薄膜的晶格常数变大,晶粒尺寸变小,表明大部分As原子和Mn原子被注入到了 ZnO晶格中,印证了离子注入的成功。在光学性质的研究上,透射光谱分析表明在注入薄膜中,由于Burstein-Moss带的填充效应,薄膜的吸收边随着离子浓度的增加而发生蓝移;通过椭圆偏振光谱拟合发现离子注入后薄膜的折射率和消光系数均有所增加。