氧化锌的基本性质和应用

本文概述了氧化锌的基本性质，包括晶体结构、能带结构和热性质，并介绍了其应用前景、氧化锌块体、薄膜和纳米结构，氧化锌的机械性质、基本电子和光学性质以及潜在的应用。

晶体结构

在环境压力和温度下，氧化锌在纤锌矿(B4型)结构中结晶，如图1.1所示。这是一个六边形晶格，属于空间群P63mc，其特征在于Zn2+和O2的两个互连子晶格，使得每个锌离子被氧离子的四面体包围，反之亦然。

这种四面体配位导致沿六边形轴的极性对称。这种极性决定了氧化锌的许多性质，包括压电性和自发极化，也是晶体生长、蚀刻和缺陷产生的关键因素。纤锌矿氧化锌最常见的四种端面是极性的锌封端(0001)和氧封端(0001)面(c轴取向)，以及非极性的(1120) ( a轴)和(1010)面，它们都含有相同数量的锌和氧原子。众所周知，极性面具有不同的化学和物理性质，而端接O型面具有与其他三个面的电子结构略有不同。此外，发现极性表面和(1010)表面是稳定的，然而(1120)面不太稳定，并且通常具有比其对应面更高的表面粗糙度。(0001)面也是基底面。

图1.1:氧化锌的六方纤锌矿结构

晶格动力学

在单晶纤锌矿氧化锌中，每个晶胞有4个原子，产生12个声子模式。这些模式对于理解晶体的热、电和光学特性很重要，如下所示:一个纵向声学(LA)、两个横向声学(TA)、三个纵向光学(LO)和六个横向光学(TO)分支。A1和E1分支是拉曼和红外活性的，而两个E2分支(非极性)仅是拉曼活性的。E2low模式与锌亚晶格的振动有关，而E2high模式仅与氧原子有关。

光学特性

氧化锌的光学性质受到能带结构和晶格动力学的严重影响。这项工作对从氧化锌获得的激子光谱进行了全面的处理和分析，并指定了许多与缺陷相关的光谱特征。从1.9到2.8的宽缺陷相关的漏电流也是氧化锌的常见光学特征。图1.10显示了在4.2K下测量的n型氧化锌的典型光致发光光谱。激子、DAP和扩展的绿带发射都可以清楚地看到，纵向光学声子(LO)产生的声子复制品也可以清楚地看到。由于缺少p型氧化锌的可用数据，这里没有显示相应的光谱。就ZnO更基本的光学性质而言，已经有许多综合研究来确定折射率和介电常数。

图1.10  n型块状氧化锌的光致发光光谱

应用

氧化锌基纳米结构，包括用于平板显示器、场发射源、气体、化学和生物传感器的纳米线阵列，以及紫外光发射器和开关。外延氧化锌作为半导体透明薄膜也很有希望，这对太阳能电池、气体传感器、显示器和波长选择应用也很重要。此外，氧化锌对兆电子伏质子辐射的辐射硬度使其成为空间应用的理想选择。