随着近几十年硅基半导体产业的飞速发展,硅本身已经无法满足人类对器件在更多新颖应用场合的需求。大功率电子学、高频电路、光电子学、柔性显示、太阳能电池等等诸多领域都对半导体器件提出了更多的要求。虽然,硅基器件仍然会是半导体器件家谱图中的主导者,但是,所有研究者在“摩尔定律”终点真正到来之前都意识到了硅的局限性。事实上,放宽视野,在元素周期表上还有很多硅以外的选择,比如Ⅲ-Ⅴ族半导体、Ⅱ-Ⅵ族半导体、二维晶体等等。氧化锌(ZnO)是在这些异军突起的材料中的一员。借助量子力学理论的巨大成功,人类可以更好的认识和控制纳米尺度的世界。这为科学研究和工程应用都开启了无数崭新的机遇和挑战。与之前对硅的探究一样,对ZnO的探究在深度上也延伸到了原子级别,在广度上也扩宽到了许多与ZnO类似的材料。ZnO作为一种透明宽禁带二元氧化物半导体,与其相似的材料一同都在很多应用领域大显神通,比如薄膜晶体管、紫外光探测器、稀磁半导体、气体传感器甚至是化学催化剂。本论文不仅着眼ZnO和掺杂的ZnO,还包括了与ZnO相似的三元氧化物(Zn2GeO4)和复杂化合物(InGaZnO4)。第一性原理计算揭示了能带结构、态密度以及其与电气、光电、磁、化学特性的内在联系。借助光电子能谱,实验可以直接测量得到异质结的能带偏移。这是研究半导体和理解能带理论的极好的实验手段。文章最后还利用现有的阳极氧化工艺和原子层沉积技术,提出了一种新型的发光器件(命名为ZnO/AAO),其发射出的光谱在很多场合都有使用价值。论文采用了多种表征手段研究了该发光器件的发光机理。