Surface polarity with different crystal orientations has been demonstrated as a crucial parameter in determining the physical properties and device applications in many transition metal oxide and semiconductor compound systems. The influences of surface polarity on electronic structures in nitrogen-incorporated ZnO lattices have been investigated in the present work. The successful doping of nitrogen atoms in ZnO lattices is suggested by the existence of N-related chemical bonds obtained from X-ray photoelectron spectroscopy analysis where a pronounced N-Zn peak intensity has been observed in the (000\bar 1)-terminated polar ZnO compound compared with the (10\bar 10)-terminated nonpolar ZnO compound. An energy shift of the valence band maximum towards the Fermi level has been resolved for both polar and nonpolar ZnO lattices, whereas a charge redistribution of the O 2p hybridized states is only resolved for o-plane ZnO with a polar surface. Angular-dependent X-ray absorption analyses at the O K-edge reveal enhanced surface-state contributions and asymmetric O 2p orbital occupations in the (000\bar 1)-terminated o-plane ZnO compound. The results shed light on the efficient nitrogen doping in ZnO lattices with polar surfaces. The comprehensive electronic structure investigations of correlations between impurity doping and surface polarity in ZnO lattices may also offer guidance for the material design in other transition metal oxide and semiconductor systems.

中文翻译：

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使用基于同步加速器的原位光电发射和 X 射线吸收光谱，在氮离子轰击下极性和非极性 ZnO 晶格的电子结构变化。

在许多过渡金属氧化物和半导体化合物系统中，具有不同晶体取向的表面极性已被证明是决定物理性质和器件应用的关键参数。在目前的工作中已经研究了表面极性对掺氮 ZnO 晶格中电子结构的影响。从 X 射线光电子能谱分析中获得的 N 相关化学键的存在表明氮原子在 ZnO 晶格中的成功掺杂表明，在 (000\bar 1) 终止的极性中观察到明显的 N-Zn 峰强度。 ZnO 化合物与 (10\bar 10) 封端的非极性 ZnO 化合物相比。对于极性和非极性 ZnO 晶格，价带最大值向费米能级的能量偏移已得到解决，而 O 2p 杂化态的电荷重新分布仅适用于具有极性表面的 o 平面 ZnO。O K 边缘的角度相关 X 射线吸收分析揭示了 (000\bar 1) 端接的 o 平面 ZnO 化合物中增强的表面状态贡献和不对称的 O 2p 轨道占据。结果揭示了具有极性表面的 ZnO 晶格中的有效氮掺杂。ZnO 晶格中杂质掺杂与表面极性之间相关性的综合电子结构研究也可为其他过渡金属氧化物和半导体系统中的材料设计提供指导。O K 边缘的角度相关 X 射线吸收分析揭示了 (000\bar 1) 端接的 o 平面 ZnO 化合物中增强的表面状态贡献和不对称的 O 2p 轨道占据。结果揭示了具有极性表面的 ZnO 晶格中的有效氮掺杂。ZnO 晶格中杂质掺杂与表面极性之间相关性的综合电子结构研究也可为其他过渡金属氧化物和半导体系统中的材料设计提供指导。O K 边缘的角度相关 X 射线吸收分析揭示了 (000\bar 1) 端接的 o 平面 ZnO 化合物中增强的表面状态贡献和不对称的 O 2p 轨道占据。结果揭示了具有极性表面的 ZnO 晶格中的有效氮掺杂。ZnO 晶格中杂质掺杂与表面极性之间相关性的综合电子结构研究也可为其他过渡金属氧化物和半导体系统中的材料设计提供指导。