氧化锌zno专题.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ZnO的基本性质,ZnO的分子量为81.39,密度为5.606g/cm3,无毒、无臭、无味、无砂性,属于两性氧化物。ZnO能溶于酸、碱以及氨水、氯化钱等溶液，不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有机溶剂,熔点为1975，加热至1800升华但是不分解,ZnO的特性,1.,-族直接带隙宽禁带半导体材料(Eg=3.37eV),是一种潜在的短波长发光材料,可应用于室温或更高温度下的可见和紫外发射材料；且高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率高等优点,2.,高激子束缚能(60meV),远远高于室温下的热离化能（26meV），激子的受激发射在550K下可实现是ZnSe和GaN材料的3倍,允许激子在高温下复合.,这使ZnO在室温下的光学现象多表现为激子行为。ZnO具有较高的发光效率和较低能耗，是做发光器件的理想材料,3.,严格的结晶学极性,所以它还是一种性能优良的压电材料,4.,ZnO的熔点较高（1975）,热稳定性强，击穿强度和电子迁移率高，也是用来做高温、高能、高速电子器件的理想材料,ZnO的三种晶格结构,ZnO晶体有三种结构：六角纤锌矿结构(Wurtzlt)、立方闪锌矿结构(Zincblende)、和立方岩盐结构(Rocksalt),ZnO是一种典型的一Vl族化合物半导体,自然条件下六方纤锌矿结构是热力学最稳定的晶体结构。立方闪锌矿结构和立方岩盐结构存在条件比较苛刻，前者只能在六方结构的衬底上生长才能稳定存在，后者只有在高压条件下才能获得。,1.六方纤锌矿结构,六方纤锌矿结构是自然条件下ZnO最稳定的一种晶体结构，因而通常情况下的ZnO都是纤锌矿结构的。,纤锌矿晶体结构原子堆积最紧密，具有六方对称性，空间群属于 空间群。,纤锌矿结构ZnO晶格常数a=0.32498nm，c=0.52066nm。,锌原子和氧原子各自都以密堆积方式排列，每一个Zn原子位于4个相邻O原子所形成的四面体间隙中，组成正四面体，但是只占据其中半数的氧四面体间隙。,同理，O原子排列也类似，每个O原子也有四个近邻Zn原子，同样组成正四面体。这种四面体配位模式导致了ZnO具有非对称结构。Zn与O之间的结合键处于共价键和离子键之间，因此zno沿c轴方向具有较强的极性，通常定义从O晶面指向Zn晶面为0001方向，反方向为 方向,这说明纤锌矿结构的zno晶格原点不是,对称中心。ZnO的典型不对称晶体结构，使得具有独特的压电特性和热电特性。,立方闪锌矿结构的ZnO可以在立方相结构的衬底上外延生长得到，具体结构如图所示。,闪锌矿ZnO晶格常数a=0.4463nm，空间点阵群属于F 3m。每个晶胞中包含4个Zn原子和4个O原子，在晶胞中Zn原子位于 和 ,O原子位于 。,闪锌矿ZnO晶体结构与金刚石结构相似，只是在金刚石结构中均是C原子构成，而在闪锌矿ZnO晶体中，分别是Zn和O原子构成。,Zn和O原子各自组成完全相同的面心立方晶格，O原子的晶格沿对角线111方向相对于Zn原子平行移动0.25晶胞对角线长度，这样就形成了闪锌矿ZnO的晶格结构。,立方闪锌矿结构ZnO近邻原子数为4个，Zn原子位于四个近邻O原子所组成的四面体中心，闪锌矿ZnO沿111方向的(111)晶面是密排面，晶体结构的111方向也具有极性。,2.立方纤维矿结构,3.立方岩盐结构,ZnO立方岩盐结构是一种高压条件下才稳定存在晶体结构。,室温条件下，当压强为9GPa左右，纤锌矿结构的ZnO转变为立方岩盐结构，近邻原子数变为6，相应体积减小了17%。ZnO立方岩盐结构是压强很高时形成的晶体结构，晶格常数a=0.4280nm，空间点群属于Fm3m。每个晶胞中存在2个原子，Zn原子位于(0，0，0)，O原子位于(1/2,1/2,1/2)。它们各自组成面心立方晶格，两者完全相同，然后O原子晶格相对于Zn原子在100方向平移1/2格长度后，就形成ZnO典型的立方岩盐晶体结构。,ZnO的能带结构,在固体的晶格中，由于相互作用从而使原子的一些电子能级劈裂成多个相邻分布的次能级，而这些原子同时又参与了相互作用，这些次能级的总和便形成了能带。能带理论能够清晰的解释半导体的能带结构。,Zn电子构型:1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,O电子构型:1s,2,2s,2,2p,4,通过理论计算表明，ZnO的,价带,是由Zn原子的3d态与O原子的2p态杂化形成，价带宽度为7eV；,导带,则主要由O原子的3s态和Zn原子的4s态构成。,Zn的3d与O的2p的作用会使价带顶向高能方向移动，价带底则向低能方向移动，作用的结果则使价带变宽，带隙变小；而导带的最低能级（由阳离子s轨道组成）和价带的最高能级（由阴离子p轨道组成）则分别向下、向上推斥后在原来的能隙中极有可能形成了缺陷或其他微扰能级。,ZnO的能带结构,纤锌矿结构ZnO晶体的导带由S态形成，具有,7,对称性，而价带在晶体场分裂和自旋轨道耦合的共同作用下劈裂成三个子带，其对称性分别是,7,，,9,和,7,，如图所示。,近带边的光吸收和光发射主要是来自于导带与价带三个子带之间的跃迁。导带中的电子和三个价带子带中的空穴形成的自由激子分别被标识为A(导带到重空穴)、B(导带到轻空穴)和C激子(导带到晶体场劈裂带的跃迁)。,大多数研究者认为价带对称性顺序应为A一,7,，B一,9,和C一,7，,根据光学跃迁的选择定则，当激发光入射到样品表面，。偏振(Ec，kc)时，A、B激子具有较大的谐振强度;当a偏振(Ec，k/c)，A、B、C激子均有较强的谐振强度;当二偏振(E/c，kc)，则C激子具有较强的谐振强度。,ZnO的光致发光性质,半导体材料的光学性质主要包括本征和非本征光学过程。本征光学过程主要指带间的辐射和吸收跃迁以及激子的跃迁。,非本征光学过程指的是由杂质和缺陷态所产生的跃迁。通常可以通过发射光谱、吸收(透射)光谱和激子光谱表征这些跃迁过程。,通常室温下ZnO的光致发光谱中包含两个波段，一个是紫外发光峰，一个是可见发光峰。研究者一般将紫外发光峰归结于自由激子发射及其声子伴线。可见发光峰一般观点是来自于ZnO中的某种本征缺陷如氧空位、氧反位等，或由外来杂质引起的。,ZnO的近带边复合发光,ZnO由激子复合引起的发光,激子半导体吸收光子之后，电子从价带跃迁到导带，但由于库仑作用，其仍然和价带中的空穴联系在一起，形成电子-空穴对。,自由激子激子作为一个实体，可以在半导体中运动；,束缚激子被杂质和缺陷态束缚的激子。,不论是自由激子还是束缚激子，都是一种激发状态，其中电子-空穴随时都有可能复合发光，将能量释放出来，回到稳定的基态。,(a)自由激子复合发光,自由激子（FE）可以在晶体中运动，传播能量和动量，但不传播电荷。对于直接带结构半导体，自由激子发光一般是来自n=1激子能级的跃迁，其发射能量为,其中R*为激子等效里德堡常数。对间接带结构半导体，FE激子发光还需要声子的参与，激子的发光能量为,Ep为声子的能量，N为发射的声子数。,(b)束缚激子的发光.,激子在运动当中，如果碰到杂质和缺陷态，可能被束缚住，使能量降低，成为束缚激子(BE)。当激子被束缚于中性或离化的施主或受主上时，将分别产生施主-激子或受主-激子复合体。,依据杂质和缺陷态的类型，束缚激子包括：,束缚在中性施主上的激子D,0,X；,束缚在离化施主上的激子D,+,X；,束缚在中性受主上的激子A,0,X；,束缚在离化受主上的激子A,-,X。,当束缚激子复合发光时，其发光能量要比自由激子有所降低，因此束缚激子的发光峰位于自由激子发光的低能方向。,ZnO中的可见发光,ZnO的可见发光是较宽的发光谱带，包括蓝光、绿光、黄光、红光等波段。,通常认为ZnO的可见发光是与ZnO中的各种本征缺陷，如间隙（Zn,i,、O,i,）、空位（V,o、,V,Zn,）、反位(O,Zn,、Zn,O,)等有关，或者是由掺杂如Cu、Mn、Er等引起。,ZnO材料的优势,光电 热电 压电,铁电 铁磁,ZnO的压电和热电特性,ZnO晶体为六方纤锌矿结构，没有对称中心，c轴方向有极性，Zn(0001)和O(0001)为不同的极性面，具有高的机电祸合系数和低的介电常数。,ZnO是一种性能很好的压电和热电半导体材料，可应用于声表面波器件、体表面波器件、压敏器件、气敏器件、催化剂、气敏元件、电池、机电调节器等领域,ZnO的铁电和铁磁特性,铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质,铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。,ZnO沿c轴方向的极性以及极性面、表面极化的存在，使其具有铁电特性，是研究极性诱生铁电性能的理想材料5I。本征ZnO的居里温度约为330K，一般而言，带宽增加，居里温度也会增加。nzo是一种很好的稀磁半导体材料，3d过渡态元素在Zno中的溶解度很高，可以高达百分之几十，常用的掺杂元素包括Mn、Ni、Fe、Co等,