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作为第三代半导体，拥有宽直接带隙的化合物半导体材料ZnO在光电领域和光化学领域有着广阔的应用前景。然而，与之相关的一些本质物理问题和机理机制问题仍然有待深入研究。通过对ZnO材料的掺杂和缺陷进行综合的分析和理解，本论文揭示了影响Al掺杂ZnO(AZO)透明导电薄膜电学性能和热稳定性的本质原因，以此为指导，提出并实现了理想AZO薄膜的制备路线。将薄膜制备技术应用于本组特色的ZnO单晶衬底，我们构筑了位置和强度可控的表面电场，对ZnO光催化过程中的重要步骤——光致电荷的分离过程进行了探讨。进一步的，通过调控电场方向，并结合对光催化过程中产生的活性自由基的探测，我们对光生电子在ZnO光催化反应中的主导作用进行了证实。另外，作为ZnO单晶生长的初步探索，本论文还对ZnO-V2O5-B2O3三元体系相图进行了研究。
本论文工作的主要研究内容和创新之处如下：
1.通过对AZO薄膜各元素化学价态和局部晶格结构的综合分析，我们找到了影响AZO薄膜电学性能和热稳定性的根本原因。基于元素化合价平衡，我们提出了两个Al3+会取代三个Zn2+，同时引入一个Zn空位的结构。利用Zn气氛退火，成功在此空位处填入了一个Zn原子。引入的这个Zn原子完善了局域晶格，同时提供了2个电子参与薄膜的电输运。由此，我们成功制备出了同时兼顾高载流子浓度(1.2×1021 cm-3)、高迁移率(36.8 cm2V-1s-1)的稳定低阻理想AZO薄膜。该研究所展示的、对ZnO半导体材料热力学和动力学形成条件的系统分析方法，能够对其它化合物型半导体材料性能的控制和研究提供必要的借鉴。
2.在ZnO单晶非极性的m面上沉积了不同厚度的AZO薄膜，利用ZnO单晶和AZO薄膜间载流子浓度的差异，构筑了位置和强度可调的界面强电场。以此为基础，研究了电场作用下的光生电荷分离过程对ZnO光催化性能的影响。我们的工作表明，应该使光生载流子尽可能多的产生在电场区，这样电场才能对光生电子-空穴对产生有效的分离，进而提高体系的光催化效率。利用不同强度的电场对不同浓度降解物的催化差异，我们对光催化反应动力学进行了初步的探讨，并揭示了不同条件下的光催化反应决速步骤。该研究给电荷分离对光催化的促进作用提供了直接的证据，对如何利用该过程提高光催化效率有指导意义。
3.在ZnO单晶m面上构筑了方向相反的表面强电场，从而获得了分别有利于光生电子和光生空穴进行光催化反应的两类结构。在此基础上，ZnO半导体光催化过程中，光生电子主导的催化机理从以下3个自洽的方面得到了证实：1)不同染料的光催化降解试验表明，有利于光生电子进行催化反应的结构大大促进了ZnO的光催化，而利于光生空穴反应的结构则正好相反：2)降解液中溶解的分子氧被证实是通过光生电子的降解路径直接参与了ZnO的光催化反应，而且分子氧还是光催化过程中不可或缺的重要环节，对ZnO的光催化性能产生重要的影响；3)水溶液中的原位电子自旋共振实验检测到的主要活性物种是只出现在光生电子催化路径中的自由基：-O2·-/HO2·，而与光生空穴催化路径直接相关的自由基-·OH则没有被检测到。该研究表明，ZnO半导体材料的光催化机制与传统的TiO2光催化材料有着很大的区别，利于光生电子催化反应的结构在ZnO光催化中应该重点考虑。
4.为了寻找合适的ZnO单晶生长助熔剂，对ZnO-V2O5-B2O3三元体系相关系进行了探讨。该体系存在七个已知的二元化合物，无三元化合物，可以划分为八个三相区。研究表明，该体系存在有Zn含量高，生长温度区间宽的ZnO单晶生长理想助熔剂配比，对该配比进行了初步的探讨。该研究对熔盐法生长ZnO单晶提供了必要的试验数据和指导。