Zn极性ZnO衬底上伪晶生长的Mgx Zn1-x O薄膜结构、光学及电子特性研究

本研究针对Mgx Zn1-x O薄膜在Zn极性ZnO衬底上的界面调控难题，通过分子束外延（MBE）生长技术，结合X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和硬X射线光电子能谱（HAXPES）等多维度表征，系统揭示了Mg含量（0≤x≤0.38）对光学带隙、二维电子气（2DES）密度及价带能级的调控规律，为极化工程量子器件设计提供了关键参数。

　　

研究背景与科学问题

宽禁带半导体氧化锌（ZnO）因其3.37 eV的直接带隙和优异的激子结合能（60 meV），在紫外光电器件和量子计算领域极具潜力。然而，传统Al₂
O₃
衬底上生长的Mg_x
Zn_1-x
O薄膜存在晶格失配导致的缺陷问题，而Zn极性ZnO衬底能实现伪晶生长，显著提升晶体质量。但学界对这类异质结的界面极化效应、Mg分布对能带结构的调控机制缺乏系统性认知，制约了其在高效量子器件中的应用。

研究方法与技术路线

中国科学院物理研究所等机构的研究团队采用分子束外延（MBE）在850°C下生长Mg_x
Zn_1-x
O薄膜（x=0-0.38），利用XRD和STEM分析晶体结构，光谱椭偏仪测定光学常数，低温输运测量二维电子气密度，并通过HAXPES解析能带偏移。样本包括6组不同Mg含量的薄膜，厚度100-630 nm。

研究结果

1. 结构特性

XRD显示薄膜c轴晶格常数随Mg含量线性减小（Δc=14.5x pm），STEM证实Mg均匀取代Zn位点且界面存在约50 nm的梯度分布。

2. 光学特性

光谱椭偏仪测得带隙遵循E_g
=3.4+2.9x (eV)，激子峰（E_X
）与吸收边（E_A
）均呈线性红移，表明应变对光学性质影响可忽略。

3. 输运特性

低x（≤0.12）时二维电子气密度（~10¹¹
cm^-2
）与极化失配理论吻合，但x≥0.26时霍尔效应与SdH振荡数据偏离，反映多子能级填充效应。

4. 能带结构

HAXPES显示价带顶（E_v
）相对真空能级恒定，导带底（E_c
）以3.3x eV幅度上移，Zn 2p_3/2
等核心能级偏移存在样品依赖性散射，提示表面重构影响局域极化。

结论与意义

该研究首次建立了ZnO衬底上Mg_x
Zn_1-x
O薄膜“成分-结构-性能”的全参数关联模型，揭示了界面梯度分布对量子限制效应的调控机制，为设计高迁移率晶体管和极化激元激光器提供了理论依据。成果发表于《Materials Today Quantum》，推动了氧化物半导体能带工程的实际应用。