氧化锌的镁合金化及能带调控(3)
2.1 ZnO基本性质
2.1.1 ZnO晶体结构
ZnO属于直接带隙宽禁带II-VI族化合物半导体材料。存在三种晶体结构[6]，分别为:立方岩盐矿(Rocksalt,RS),立方闪锌矿结构(Zincblende,ZB)和吹冰方纤锌矿结构(Wurtzite,WZ)，结构如图2-1所示。在常温常压下，ZnO以吹冰角纤锌矿结构为稳定相存在[6]。ZnO的吹冰角纤锌矿结构(WZ)在30KV高压下会转变为立方岩盐矿结构（RS)[7]，但当高压消失时，ZnO不会立即恢复到吹冰角纤锌矿结构(WZ)[6，8，9]。ZnO的吹冰角纤锌矿型晶体结构(WZ)，属于吹冰方晶系，空间群为P63mc，原子之间以sp3轨道杂化形成化学键,但化学键仍拥有部分离子性。其晶胞有两个晶格常数：a和c，c/a=1.633[6]，晶格常数为a=3.243Å，c=5.195Å。ZnO的吹冰角纤锌矿结构示意图如图2-1所示。由图可知，氧原子和锌原子均以密排吹冰方堆积，相互嵌套形成ZnO晶体，每个O原子或Zn原子的最近邻都被四个Zn原子或O原子包围。而ZnO由Zn原子和O原子构成的四面体沿c轴[0001]方向根据…AaBbAaBb…堆叠，该结构使得ZnO晶体沿c轴有着极强的极性，或称c轴择优取向，从而也形成了Zn面（0001)和O面（000-1）两个极性面。
2-1 ZnO的三种晶体结构：(a)立方 盐岩矿结构，(b)立方闪 锌矿结构，(c)吹冰角纤锌 矿结构
2.1.2 ZnO纳米晶物化性质
表2-1 ZnO(常温常压)的基本物理参数[10]
物理参数 数值
晶体结构 吹冰角纤锌矿结构
分子量 81.38
晶格常数（nm） a=0.32475~0.3286；e=0.52042~0.5241
热导率(W/cm•K） //c:l~1.2；⊥c:0.666
带隙宽度（室温下）（eV） 3.37
30OK下热膨胀系数(℃） //e:3.0x106；⊥e:6.5xl06
原子个数(x1022/cm3) 4.15
密度(g/cm3) 5.606
熔点（℃） 1975
静态介电常数 8.656
折射率n(600nm处) //e:2.029；⊥e:2.008
本征载流子浓度(/cm3） <106
空穴迁移率(300K，cm2/VS) 5~50
电子迁移率(300K，cm2/VS) 200
激子波尔半径(nm)) 2.5
激子束缚能(meV) ~60
空穴有效质量 0.59
电子有效质量 0.24
表2-1表示的是ZnO在常温常压下的基本物理参数。ZnO是无臭、无、无毒的两性氧化物，不溶于水，也不溶于醇、苯等有机溶剂，但溶于弱酸和弱碱。ZnO性能相对稳定，一段时间，即使在空气中，其性能几乎不变[6]。
2.1.3 ZnO能带结构
半导体材料的能带结构与其光学与电学性能密切相关，对半导体的能带结构有了必要的了解，才能更好的了解半导体的光电性能。ZnO常温常压下其禁带宽度为3.37eV,由于ZnO的直接宽带隙结构，使得其布里渊区的导带底和价带顶在同一Г点[11]，即k=0。我们主要关注ZnO在布里渊区的能带结构图，如图2-2所示。ZnO导带由空的Zn 4s电子轨道或反键sp3杂化轨道构成，拥有Г7对称性;价带顶主要是由满态O 2p轨道或成键sp3杂化轨道构成[11，12]。受自旋-轨道耦合分裂与吹冰角晶体场分裂的影响，ZnO价带顶会分裂为三个二重简并的价带能级，从上到下依次为：A、B、C能级，大多数情况下,分别具有Г7、Г9、Г7对称性，能级大小也是依次降低，其中A大于B约4.9meV，B大于C约43.7meV[13]。
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