p型透明导电氧化物是半导体材料领域的研究热点之一。性能良好的p型透明导电氧化物薄膜是制备全透明光电器件的关键,如透明二极管、透明晶体管等。基于价带化学修饰理论,首先被发现的铜铁矿结构的p型CuAlO₂是一个重大突破,因为它从本质上弱化了氧化物中氧离子对空穴载流子的强局域化作用。然而,过低的电导率,使得CuAlO₂薄膜很难应用到光电器件上。因此,如何提高电导率是实现CuAl O₂基全透明光电器件亟需解决的关键问题。掺杂是提高CuAl O₂的p型电导率的一种有效方法。到目前为止,已有大量和CuAl O₂掺杂有关的实验报道,但CuAlO₂的电导率仍未超过20 S/cm。因为制备条件不同,CuAl O₂薄膜的晶体质量也不一致,所以很难通过已有的实验报道确定最适合对CuAl O₂进行掺杂的元素。而且,有些掺杂实验报道的结果之间还存在相互矛盾之处,实验结果的可靠性需要检验,这些问题若不解决对于后续的研究十分不利。近二十年来,得益于计算材料科学的发展,基于密度泛函理论的第一性原理计算取得了长足的进步。它可以对很多材料进行模拟并输出一些与材料属性相关的合理结果,比如晶体结构参数、能带和态密度等信息。利用第一性原理计算还可以计算点缺陷的形成能。这种理论模拟为一些实验现象提供了有力支持,有时还可为实验提供可行的指导方案,这将在极大程度上促进了实验研究的发展。在本文中,我们将实验和理论相结合研究了CuAlO₂的制备和掺杂等科学问题,取得了如下研究成果:1.使用传统固相反应法合成了Na掺杂CuAlO₂块体,通过对光致发光性质的研究并结合第一性原理计算,阐明了Na掺杂CuAlO₂光致发光谱中3.08 eV处与Na相关的带尾辐射发光峰来源于施主-受主自补偿复合缺陷Na_Al-2Na_i。Na_Al-2Na_i复合缺陷会在CuAl O₂的价带顶附近引入缺陷带,相当于提升了它的价带顶,这有助于降低受主缺陷的离化能。2.利用第一性原理计算了碱土金属M（M=Be,Mg和Ca）或者氮掺杂CuAl O₂可能形成的缺陷以及相应的缺陷形成能。计算结果表明,Mg_Al缺陷的形成能最低,说明Mg比Be和Ca更容易替代CuAl O₂中的Al位形成Mg_Al浅受主缺陷。N在CuAlO₂中更倾向于替代O位而非占据间隙位,但因为N_O缺陷的形成能太高,所以CuAlO₂的p型电导率很难通过N掺杂来提高。因为碱土金属M代Al位(M_Al)和N_O缺陷的结合都不稳定,所以碱土金属和氮共掺杂CuAlO₂难以形成双受主复合缺陷。碱土金属替代CuAlO₂中的Al位会引起可见光范围的光吸收,从而降低CuAl O₂的透光率。3.采用固相反应法合成了CuAl_1-xMg_xO₂靶材,利用射频磁控溅射技术在c面单晶蓝宝石上制备出了铜铁矿结构的Mg掺杂CuAl O₂薄膜。Hall效应测量表明,Mg掺杂大大提高了CuAlO₂的空穴浓度,室温下(CuAl_0.94Mg_0.06O₂)最高空穴浓度达到1.79×10¹⁸ cm^-3,电导率为8.0×10^-2 S/cm。实验结果表明,Mg杂质替代了CuAl O₂中的Al位形成了Mg_Al浅受主缺陷。4.以CuAl_0.94Mg_0.06O₂和ZnO作为靶材,利用射频磁控溅射技术,在蓝宝石衬底上成功制备了p-Cu-Al-Mg-O/n-ZnO异质结二极管。虽然Cu-Al-Mg-O层为非晶结构,其电导率和透光率较低,但仍然观察到了二极管整流特性。