本文概述了氧化鋅的基本性質(zhì)，包括晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)，并介紹了其應用前景、氧化鋅塊體、薄膜和納米結(jié)構(gòu)，氧化鋅的機械性質(zhì)、基本電子和光學性質(zhì)以及潛在的應用。

晶體結(jié)構(gòu)

在環(huán)境壓力和溫度下，氧化鋅在纖鋅礦(B4型)結(jié)構(gòu)中結(jié)晶，如圖1.1所示。這是一個六邊形晶格，屬于空間群P63mc，其特征在于Zn2+和O2的兩個互連子晶格，使得每個鋅離子被氧離子的四面體包圍，反之亦然。

這種四面體配位導致沿六邊形軸的極性對稱。這種極性決定了氧化鋅的許多性質(zhì)，包括壓電性和自發(fā)極化，也是晶體生長、蝕刻和缺陷產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。纖鋅礦氧化鋅最常見的四種端面是極性的鋅封端(0001)和氧封端(0001)面(c軸取向)，以及非極性的(1120) ( a軸)和(1010)面，它們都含有相同數(shù)量的鋅和氧原子。眾所周知，極性面具有不同的化學和物理性質(zhì)，而端接O型面具有與其他三個面的電子結(jié)構(gòu)略有不同。此外，發(fā)現(xiàn)極性表面和(1010)表面是穩(wěn)定的，然而(1120)面不太穩(wěn)定，并且通常具有比其對應面更高的表面粗糙度。(0001)面也是基底面。

晶格動力學

在單晶纖鋅礦氧化鋅中，每個晶胞有4個原子，產(chǎn)生12個聲子模式。這些模式對于理解晶體的熱、電和光學特性很重要，如下所示:一個縱向聲學(LA)、兩個橫向聲學(TA)、三個縱向光學(LO)和六個橫向光學(TO)分支。A1和E1分支是拉曼和紅外活性的，而兩個E2分支(非極性)僅是拉曼活性的。E2low模式與鋅亞晶格的振動有關(guān)，而E2high模式僅與氧原子有關(guān)。

光學特性

氧化鋅的光學性質(zhì)受到能帶結(jié)構(gòu)和晶格動力學的嚴重影響。這項工作對從氧化鋅獲得的激子光譜進行了全面的處理和分析，并指定了許多與缺陷相關(guān)的光譜特征。從1.9到2.8的寬缺陷相關(guān)的漏電流也是氧化鋅的常見光學特征。圖1.10顯示了在4.2K下測量的n型氧化鋅的典型光致發(fā)光光譜。激子、DAP和擴展的綠帶發(fā)射都可以清楚地看到，縱向光學聲子(LO)產(chǎn)生的聲子復制品也可以清楚地看到。由于缺少p型氧化鋅的可用數(shù)據(jù)，這里沒有顯示相應的光譜。就ZnO更基本的光學性質(zhì)而言，已經(jīng)有許多綜合研究來確定折射率和介電常數(shù)。

應用

氧化鋅基納米結(jié)構(gòu)，包括用于平板顯示器、場發(fā)射源、氣體、化學和生物傳感器的納米線陣列，以及紫外光發(fā)射器和開關(guān)。外延氧化鋅作為半導體透明薄膜也很有希望，這對太陽能電池、氣體傳感器、顯示器和波長選擇應用也很重要。此外，氧化鋅對兆電子伏質(zhì)子輻射的輻射硬度使其成為空間應用的理想選擇。