β-(AlxGa1-x)2O3因其优异的抗击穿及带隙可调节性在现代功率器件及深紫外光电探测等领域展现出巨大的应用前景，然而传统直接生长工艺的复杂性和难度限制了其进一步的发展。因此，本文采用较为简单的高温扩散工艺在c面蓝宝石衬底上成功制备了β-(AlxGa1-x)2O3纳米薄膜。利用X射线衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度计对其进行了表征。由于高温下蓝宝石衬底中的Al原子向Ga2O3层扩散，β-Ga2O3薄膜将转变为Al、Ga原子比例不同的β-(AlxGa1-x)2O3薄膜。实验结果显示：当退火温度从1 010 ℃增加到1 250 ℃时，薄膜中Al的平均含量从0.033增加到0.371；当退火温度从950 ℃增加到1 250 ℃时，薄膜的厚度从186 nm增加到297 nm，粗糙度从2.31 nm增加到15.10 nm；当退火温度从950 ℃增加到1 190 ℃时，薄膜的带隙从4.79 eV增加至5.96 eV。结果表明高温扩散工艺能够有效调节β-(AlxGa1-x)2O3薄膜的光学带隙，为β-(AlxGa1-x)2O3基新型光电子器件提供了实验基础。

p型4H-SiC是制备高功率电力电子器件的理想衬底材料，但由于工艺技术的制约，国内尚无能力生产高质量、大尺寸、低电阻的p型4H-SiC单晶衬底。本文使用物理气相传输(PVT)法制备了直径为4英寸(1英寸=2.54 cm)Al掺杂的p型4H-SiC单晶衬底。通过KOH腐蚀表征样品位错密度，使用高分辨X射线衍射(HRXRD)表征其晶体质量，利用拉曼光谱扫描确定其晶型，采用非接触式电阻测试仪测试其电阻率。结果表明，衬底整体位错密度较低，结晶质量良好，晶型稳定且衬底全片电阻率小于0.5 Ω·cm。通过第一性原理平面波超软赝势方法对本征4H-SiC及Al元素掺杂后样品的体系进行能带结构、电子态密度的计算。结果表明Al掺杂后样品禁带宽度减小，费米能级穿过价带，体现出p型半导体的特征。研究结果为大规模生产高质量、低电阻的p型4H-SiC衬底提供思路。

利用一种简便的一步溶剂热法合成了氮/铝共掺杂碳点，该碳点的水溶液在红光发射区的发光量子效率达30%。分别通过原子力显微镜（AFM）、动态光散射（DLS）粒度分析仪、荧光光谱仪、X射线光电子能谱仪（XPS）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等对其颗粒尺寸、表面化学结构及荧光性能进行了表征。所合成的氮/铝共掺杂碳点颗粒的平均直径为6.5 nm，在高浓度盐离子溶液、紫外光照射及温度变换下具有较强的抗漂白能力。同时，该碳点作为一种新型的荧光探针，可用于H₂O₂的选择性识别，检测极限为1.3 μmol/L，碳点荧光淬灭效率与0.12~1 mmol/L的H₂O₂浓度呈线性关系。

可充电水系锌锰电池成本低、环保无毒、安全性好，在大规模储能领域具有广阔应用前景。然而，该电池中不仅存在MnO2正极导电率低、结构稳定性差等问题，而且存在负极锌枝晶生长与析氢腐蚀问题，这严重制约了电池循环稳定性的提升。本文采用水热法制备了Al掺杂二氧化锰作为锌锰电池的高稳定性正极材料，并通过X射线衍射(XRD)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)详细讨论了Al掺杂对MnO2物相、形貌、含水量与电化学性能的影响。研究表明，Al掺杂不仅使样品由微米级β-MnO2转变为纳米级α-MnO2，还使产物中结晶水含量增加。作为锌锰电池正极材料，所制备的Al掺杂MnO2在1 A?g-1高电流密度下500次循环后剩余容量高达150.1 mAh?g-1，循环稳定性远优于未掺杂的MnO2样品(500次循环后容量为97.8 mAh?g-1)。本研究对高性能锌锰电池的开发具有一定启示意义。

采用溶胶凝胶旋涂法在FTO玻璃衬底上制备得到了不同Al掺杂浓度的ZnO薄膜(AZO)。利用XRD、FESEM、UVvis和PL等测试手段对样品结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明, 合成的AZO薄膜均为六方纤锌矿结构且峰强随掺杂浓度的升高而减弱; 同时, 颗粒形貌由不规则向规则球形转变且尺寸逐渐减小; PL谱中的近紫外发射峰和晶格缺陷峰值随掺杂浓度的升高先增大后降低; 由UVvis吸收光谱可知, AZO薄膜在设定波长内的光吸收处于波动状态, 且当Al掺杂浓度为3%时, 光吸收强度最高, 禁带宽度减小到3.12eV。

采用密度泛函理论计算分析的方法系统研究了Al掺杂TiO2基晶体材料的电子结构和光学性质.结果表明,本征TiO2材料具有直接带隙型能带,其带隙宽度为2.438 eV,Al掺杂TiO2材料同样具有直接带隙型能带,其带隙宽度降低至2.329 eV.本征TiO2与Al掺杂的TiO2材料均含有五个子能带,但是Al掺杂TiO2 材料子能带位置发生改变.Al掺杂在TiO2材料价带中引入大量新的能级,降低了费米能级上的态密度,Al掺杂为n型掺杂.对于Al掺杂TiO2材料来说, s态电子和p态电子主要在Al 掺杂TiO2 材料的带内跃迁过程起较大的作用.Al掺杂的TiO2材料最强的介电吸收峰在320 nm附近,Al掺杂拓展了TiO2材料的光吸收范围,其介电吸收能量范围向长波方向移动.本征TiO2及Al掺杂TiO2材料在1000 nm 以下波长的折射率曲线相似.Al掺杂TiO2材料在500 nm以下的折射率较本征TiO2材料降低,而500 nm 以上折射率较本征TiO2 材料增大.

通过激光辐照固态Al膜,制备了一种p型重掺杂4H-SiC,分析了Al膜厚度、激光脉冲个数对掺杂结果的影响,验证了不同工艺参数对p型掺杂层表面电学性能的调控作用。结果表明,当Al膜厚度为120 nm,脉冲个数为50时,掺杂试样的最大载流子浓度为6.613×10 ¹⁷ cm ^-3,最小体电阻率为17.36 Ω·cm,掺杂浓度(粒子数浓度)可达6.6×10 ¹⁹ cm ^-3。4H-SiC的Al掺杂改性机理为:在紫外激光作用下,Si—C键断裂,Al原子替代Si原子形成p型掺杂层。

用磁控溅射方法在Si衬底上制备了Al掺杂Mg2Si薄膜,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子 力显微镜(AFM)和分光光度计研究了掺杂含量对Mg2Si薄膜组分、表面形貌、粗糙度及 光学带隙值的影响。XRD结果表明随着Al掺杂量的增加,Mg2Si衍射峰先增强后减弱。SEM及AFM的结果表明随掺杂量的增加,结晶度 先增加后降低,晶粒尺寸减小,粗糙度先增加后降低。得到掺杂后薄膜 间接跃迁带隙范围为0.423～0.495 eV,直接跃迁带隙范围为0.72～0.748 eV,掺杂前薄膜间接跃迁带隙和直接跃迁带隙分别为0.53 eV、0.833 eV。

为了使新型薄膜太阳能电池结构中的ZnO纳米柱阵列能高效捕获光子与收集载流子, 研究了提高ZnO纳米柱阵列的电导率和操控其光学性质的方法。使用电沉积方法在溶解有Zn(NO3)2、NH4NO3、Al(NO3)3的水溶液中制备了Al掺杂的ZnO纳米柱阵列。实验显示, 通过控制电解液中NH4NO3的浓度可操控所制备的ZnO纳米柱阵列的直径、密度和间距。电解液中NH4NO3浓度的增加会导致所制备的ZnO纳米柱中Al/Zn的质量比显著增大,通过控制NH4NO3在溶液中的添加即可在3.72~3.76 eV内调控所制备的ZnO纳米柱的光学带隙宽度, 并能够对其透射、反射、吸收等光学性质进行操控。另外, 在电解液中添加NH4NO3, 可在377~449 meV内调控所制备的ZnO纳米柱的斯托克斯位移, 从而操控ZnO纳米柱内部的非辐射复合。因此, 在电解液中使用NH4NO3增强所制备的ZnO纳米柱中Al的含量, 不仅可使ZnO纳米柱在保持高迁移率的条件下具有高的电导率, 还可实现对光学性质的操控。

使用电沉积方法在溶解有Zn(NO3)2、NH4NO3、Al(NO3)3的水溶液中制备出Al掺杂的ZnO纳米柱阵列。电解液中添加的NH4NO3抑制了添加Al(NO3)3导致的层状纳米结构的生长, 可得到高质量的ZnO纳米柱阵列。通过控制电解液中Al(NO3)3的浓度可操控所制备的ZnO纳米柱阵列的直径、密度、间距和Al/Zn的重量比。Al掺杂引起ZnO纳米柱内部载流子浓度增加, 在布尔斯坦-莫斯效应作用下, 纳米柱的光学带隙蓝移至3.64 ~ 3.65 eV。ZnO纳米柱内部的非辐射复合导致其近带边发射产生215 ~ 225 meV的斯托克斯位移。