纳米技术课件：氧化锌.ppt

1、内容提要内容提要 机械性能机械性能3 能带结构能带结构2 光学性能光学性能4 晶体结构晶体结构1ZnO的存在形式Fig.1. ZnO的常见晶体结构：（a）岩盐结构，（b）闪锌矿结构，（c）纤锌矿结构。Fig.2. 纤锌矿结构的ZnO图示mcP36ZnO一般以纤锌矿结构存在，空间群 c/a= ,u= ， 并可在高压下向岩盐结构转化；在立方结构基底上生长的ZnO可以闪锌矿的结构稳定存在，在高失配的衬底上，也有B3相与B4相共同存在8/3c8341)(31(22cau作者方法B4，B3，B1的内聚能Jaffee, Hess.第一性原理5.658, 5.606 , 5.416 eVJaffe局域密度近

2、似（LDA）的密度函数理论9.769, 9.754, 9.611 eV广义梯度近似（GGA）的密度函数理论7.692, 7.679, 7.455 eVTable.1. 不同相的ZnO内聚能计算结果纤锌矿结构的ZnO具有最小的内聚能，ZnO更容易以该相存在。广义梯度近似（GGA）的密度函数理论的计算结果与测量Zn的汽化热、ZnO的形成焓、 的结合能得到的内聚能实验值更为相近。ZnO内聚能2OZnO纤锌矿结构与岩盐结构的纤锌矿结构与岩盐结构的转化转化Table.2. 纤锌矿结构与岩盐结构相互转化的数据作者方法B4B1B1B4体积减小Bates10 GPa17%GerwardEDXD1015 GPa

3、B1相始终存在JamiesonEDXD9.19.6 GPa1.9 GPa 磁滞现象16.7%JaffeLDA & GGA260 GPa(B1B2)Zaoui壳模型近似352 GPa(B1B2)相变源自晶格尺寸的减小，离子间的库伦作用使Zn-O键表现出更多的离子型。当施加在ZnO上的压力达到56 GPa，仍保持稳定的B1相。晶格常数晶格常数 决定晶格常数的因素：1，占据导带底的自由电子浓度2，杂质原子或缺陷的浓度以及与所替代的矩阵离子的半径差3，外部应力4，温度ZnO的晶格常数可以从实验或者理论计算得到，且两种方法得到的结果能很好吻合a:3.24753.2501 c:5.20425.2075 c

4、/a:1.5931.6035u:0.3830.3856,当纤锌矿被施加压力，u与c/a的理想关系被破坏。2.能带结构能带结构实验测量：实验测量：X X射线、紫外反射和吸收或发射谱通常被用来测量芯能级（射线、紫外反射和吸收或发射谱通常被用来测量芯能级（core core levellevel）。这些实验通过测量能级跃迁（比如从上价带到上导带）或激发集）。这些实验通过测量能级跃迁（比如从上价带到上导带）或激发集体模式（较高的能层能级到导带底）来得到能带结构。光电子能谱（体模式（较高的能层能级到导带底）来得到能带结构。光电子能谱（PESPES）也是一种研究能带的重要手段。最近，角分辨光电子能谱（也是

5、一种研究能带的重要手段。最近，角分辨光电子能谱（ARPESARPES）开始应）开始应用。这项技术和同步加速辐射激励被认为是测量大体积和表面电子能带结构用。这项技术和同步加速辐射激励被认为是测量大体积和表面电子能带结构的有效工具。的有效工具。 19691969年年RsslerRssler使用格林方程计算了使用格林方程计算了ZnOZnO的能带结果，但是与后来的实验结果的能带结果，但是与后来的实验结果相去甚远。相去甚远。Langer Langer 和和 VeselyVesely 曾用曾用X X射线光电子能谱研究射线光电子能谱研究ZnOZnO的芯能级，确定了的芯能级，确定了ZnO3dZnO3d能能级的

6、位置，并且发现实验值与理论值的差别是和角动量先关的。级的位置，并且发现实验值与理论值的差别是和角动量先关的。局域密度近似理论和紧束缚近似将局域密度近似理论和紧束缚近似将3d3d能级作为芯能级来简化计算可以得到一能级作为芯能级来简化计算可以得到一个被广泛认可的定性认识，但都没有得到一个统一的定量个被广泛认可的定性认识，但都没有得到一个统一的定量3d3d结果。结果。近年将近年将3d3d能级作为价带能级计算，考虑了他们对能级作为价带能级计算，考虑了他们对s s和和p p态产生的价带的影响，态产生的价带的影响，得到了一些与实验结果想符合的结果。得到了一些与实验结果想符合的结果。Fig.3.（a）Gir

7、ard测得的一些正常的激发能量在20 to 50 eV的光电子发射谱，并由此得出了大块ZnO的能带结构（b）。虚线是Schrer的用局域密度近似理论，将3d态考虑为价带态的计算结果四个价带能级与实验值符合良好。Zn的3d态分成了4，6两组，其中一组没能和实验结果精确符合。 3.机械性能机械性能体积模量：体积模量：材料的弹性常数是对称性有关的，6角相晶体中，有5个独立的弹性常数。 和 . C11和 是对应于沿1000和0001方向的纵模的弹性常量， 和 可由沿1000和0001方向的横模传播的声速确定。 是与低对称方向模式传播速度的的其他四个弹性模量相关联的。体积模量 用超声波技术可以精确计算体

8、积模量，但是需要大块的ZnO单晶。准纵波波速和准横波波速可以用来计算 。13331211213331211422)(CCCCCCCCB13CV是准纵波或准横波的传播速度，是密度，是传播方向与c轴夹角。13123311,CCCC44C11C33C44C2/ )(121166CCC13C不同形式的X射线衍射，比如能量散射X射线衍射（EDX），角散射X射线衍射（ADX），X射线吸收普（XAS）可以用来确定晶格常数随压力的变化关系。在认为体积模量与压力P成线性关系的假设下，由Murnaghan状态方程可以得到体积模量。/10)1 (BBPBVVB是体积模量， 是环境压力下的初始体积，B是由B派生的，和

9、压力有关的量。 布里渊散射也可以确定弹性常数，也就可以确定体积模量，方法是通过光与材料中的热激励，特别是晶体中声学声子的交互作用来确定独立的弹性常数。布里渊散射可以得到绝热情况下的体积模量， X射线衍射可以确定等温的体积模量 。但分子晶体之外的固体中，二者是没有太大差别的。除了实验方法，还有一些理论方法，比如在局域密度近似中使用密度方程理论，来计算体积模量。0V六角相的ZnO的弹性常数和体积模量，理论和实验的结果比较一致。差异可能来自样品生长质量，实验精度和声子散射。 Fig.4. Decremps等人使用超声波速的方法在不同温度下测得的六角相单晶ZnO的纵向和横向的弹性常数随压力的变化 弹性

10、常数与压力变化是一个线性的关系，纵向模量是一个正值，剪切模量是一个负值。在更高的温度下，剪切模量随压力变化的斜率表现为一个更小的负值，说明弹性剪切随着温度的升高变软。 压电张量：ZnO半导体有很高的压电张亮，可以满足有很大机电耦合要求的应用。六角相的ZnO压电张量有三个独立的分量。其中两个分量描述的是0电场下，伴随沿C轴或基面的均匀应力的极化，相应的关系是（7） 和 是沿C轴或基面内的应力， 和 是压电系数。第三个分量 描述了剪切应力引起的极化，经常被忽略。六角相的ZnO因为具有低对称行导致在沿C轴方向具有自发极化，但是这一现象在非铁电材料中无法直接测量，但可以通过研究二维电子气和量子阱跃迁的红移来间接测量。3133eePzpiezozz31e15e33e