ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙的宽禁带化合物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV。ZnO薄膜以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件等诸多领域得到广泛应用,在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。ZnO:Al薄膜具有与ITO薄膜相比拟的对可见光的高透过率和高电导,在氢等离子体的稳定性高,已成为替代ITO透明导电薄膜的研究热点,而且ZnO的P型掺杂也是近年来研究的另一个热点和难点问题。本论文介绍了ZnO薄膜研究的国内外最新进展,并综述了ZnO薄膜的主要生长技术及原理。介绍了量子力学第一性原理的基本理论,特别对密度泛函数理论的计算方法进行了介绍以及对CASTEP软件的简介。本论文对ZnO结构进行模拟计算,采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法,计算程序选用Materials Studio软件。对一价离子、二价离子、三价离子及稀土金属离子掺杂ZnO的几何结构、能带结构以及态密度进行了比较系统的研究。研究表明：掺Al3+的ZnO能带结构中出现施主能级,形成n型半导体,带隙变宽发生蓝移效应,不同的掺杂量使的带隙和杂质能级都有所变宽。掺入三价离子后, ZnO超晶胞体积发生膨胀,掺杂Ga3+和In3+的情况与掺Al3+时的情况相似, Al3+离子掺杂的ZnO导电能力强于其它三价金属离子(Ga3+、In3+)掺杂的ZnO。掺入三价副族Y3+后,对ZnO能带及态密度影响较大,可能是因为Y的离子半径太大引起的。掺Ag+导致ZnO的体积膨胀,Ag+代替Zn位时,出现了一个深受主能级(0.452eV)；当Ag+间隙位时,Ag+是以施主杂质存在的,从而会造成对受主杂质的自补偿,单纯的Ag+掺杂较难获得P型ZnO材料。掺入Cu+替代Zn位时,出现了深受主能级(0.258eV),同时考虑到可能会进入间隙位,Ag+掺杂ZnO要比Cu+掺杂更难得到P型半导体。掺入Li+、Na+、K+一价主族金属离子,杂质能级为Li+(0.682eV)、Na+(0.513eV)、K+(0.078eV)受主能级,其中Li+、Na+离子的掺杂形成深受主能级,而K+离子形成浅受主能级,其系统稳定性差,不利于提高K固溶度,因而掺入ⅠA金属离子也较难获得P型半导体。ⅠB离子掺杂ZnO要优于ⅠA离子掺杂获得P型半导体。Ag-Al离子共掺杂表明随着Ag+掺杂量的增加,费米能级进入价带越深,能隙变窄,杂质能级变得更窄,这更有助于实现ZnO的P型转变。对于掺入二价金属离子的掺杂体系进行了不同浓度的计算,结果表明,对于Cd2+随着掺杂浓度增加,带隙变窄,而对于Mn2+其结果相反。掺入Nb5+后,所得结果与理论相一致,即：掺入金属价态越高,引入的多余电子就越多,对其导电性能越有利。总之,一、随着金属价态的升高,杂质能级的能隙减少将增加载流子浓度,从而提高ZnO导电性能；二、随着掺杂浓度的增加,能隙逐渐向掺杂离子的氧化物能级靠近；三、随着掺杂金属价态的升高杂质能级降低。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺,以乙醇和乙二醇甲醚为混合溶剂,醋酸锌为前驱体,乙醇胺为稳定剂反应制得溶胶,用浸渍提拉法和旋转涂敷法在普通石英玻璃基体上镀膜,经干燥、预热处理、退火,最后形成均匀、透明导电的多晶ZnO薄膜运用X射线衍射谱(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、四探针、以及UVS等测量手段对样品的结构和光电特性进行了表征。结果表明：所制备ZnO:Al薄膜为六方纤锌矿结构,具有高度C轴择优取向,表面均匀、致密,薄膜由许多网状晶粒组成,薄膜可见光透过率平均可达80%,A13+掺杂量的增大导致光学能隙增大,电阻率在4.88×10-1～2.24×10-4Ω·cm范围内。ZnO:Li薄膜同样具有六方铅锌矿结构和C轴择优取向,电阻率要高于ZnO:Al薄膜,电阻率在90～1.53×10-1Ω·cm范围内。ZnO:Y薄膜同样具有六方铅锌矿结构,但掺杂使晶格发生畸变,掺入离子半径较大的离子很难进入间隙位,与理论计算相符。采用L9(34)正交实验对ZnO:Al薄膜的Al3+掺杂量、镀膜层数、预热处理温度、退火温度等工艺参数进行优化,通过分析得出镀膜15层,掺Al3+量2%atm,热处理温度250℃,退火温度600℃为最优组合。Ag-Al共掺杂掺杂量为3%,Ag:Al的摩尔比为10：1,预热温度为180℃,退火温度为550℃的条件下,制备的Ag-Al共掺杂ZnO薄膜的薄膜性能结构较好。研究ZnO:Al薄膜表面形貌与导电性的关系,结果表明薄膜表面网状结构越密集,导电性越好。