2.1　氧化鋅的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)

ZnO 是ⅡB-ⅥA族化合物半導(dǎo)體材料，它有三種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。第一種是在常溫條件下的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。第二種是在高溫條件下才能穩(wěn)定的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的晶格能量較高。第三種是在高壓條件下（8～12GPa）穩(wěn)定的巖鹽礦結(jié)構(gòu)。如圖2.1所示。

圖2-1　ZnO晶體結(jié)構(gòu)示意圖

自然條件下 ZnO 呈現(xiàn)六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是三種晶體結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的。ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，Zn和O原子緊密堆積，該結(jié)構(gòu)空間群屬于mc空間群。ZnO 的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的晶格參數(shù)為a=0.32498nm，c=0.52066nm（標(biāo)準(zhǔn)卡片 JCPDS 36-1461）。如圖2-1（c）所示，ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)可以用 Zn 原子構(gòu)成的四面體和 O 原子所構(gòu)成的四面體互相套構(gòu)而成來描述。每一個(gè)Zn原子位于由O原子構(gòu)成的四面體的間隙中，同理每一個(gè)O原子也位于由Zn原子構(gòu)成的四面體的間隙中。這種套構(gòu)的結(jié)構(gòu)使得ZnO具有非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。介于Zn原子與O原子之間是一種處于離子鍵和共價(jià)鍵之間的鍵，這使得ZnO沿c軸方向具有很強(qiáng)的極性。即 Zn 原子面和O原子面沿［001］方向密排列而成，ZnO中有Zn的極性面（0001）和O的極性面（0001）。因此這種不對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致ZnO具有獨(dú)特的熱電特性和壓電特性。ZnO 理論上c∶a的值為1.633，而實(shí)際中c∶a的比值約為1.603，這個(gè)值比理論值略小，這是由于實(shí)際生長(zhǎng)的ZnO中存在鋅空位和氧空位。

當(dāng)壓強(qiáng)增大至9GPa時(shí)，ZnO晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成巖鹽礦結(jié)構(gòu)，近鄰原子數(shù)變?yōu)?，相應(yīng)體積也會(huì)縮小17%，如圖2-1（a）所示。而圖2-1（b）中所示的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)則與金剛石結(jié)構(gòu)類似。O原子構(gòu)成的面心立方，其晶格沿［111］方向移動(dòng)，距離為0.25倍晶胞對(duì)角線長(zhǎng)度，與Zn原子構(gòu)成的面心立方晶格套構(gòu)形成閃鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO 閃鋅礦結(jié)構(gòu)近鄰原子數(shù)是4個(gè)，并且沿［111］方向具有極性。

ZnO為兩性氧化物，溶于酸性與堿性溶液，不溶于水和乙醇，存放在潮濕空氣中，易吸收空氣中的二氧化碳生成堿式碳酸鋅，也能被氮或者一氧化碳還原為金屬鋅。它常溫下為白色粉末，由不定形或針狀小顆粒組成，高溫下呈黃色，冷卻后又恢復(fù)白色，這是因?yàn)闇囟壬吆髽O化作用加強(qiáng)，荷移躍遷容易發(fā)生所致；或者是高溫下電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差減小，容易受到入射光的激發(fā)所致。氧化鋅無毒、無味，熔點(diǎn)高達(dá) 1975℃，密度為 5.606g/cm³（無定形的密度為 5.42g/cm³）。ZnO的其它物理性質(zhì)如表2-1所示。

表2-1　六方纖鋅礦 ZnO 的基本物理性質(zhì)　　

ZnO 是典型的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為 3.37eV，室溫下自由激子束縛能是 60meV，遠(yuǎn)高于室溫的熱離化能，它的禁帶寬度對(duì)應(yīng)光譜中的紫外波段，是理想的紫外光電器件材料。ZnO 的帶隙結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，它的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別由 O 原子的 2p 軌道和 Zn 原子的 4s 軌道構(gòu)成。

圖2-2　ZnO 能帶結(jié)構(gòu)圖