1.1　ZnO的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1.1.1　ZnO的晶體結(jié)構(gòu)

ZnO是一種直接帶隙的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族N型半導體。它主要有三種單晶結(jié)構(gòu)：六角纖鋅礦、立方閃鋅礦和立方鹽結(jié)構(gòu)。

立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO一般只能在立方結(jié)構(gòu)的襯底上才能穩(wěn)定地存在，而立方鹽結(jié)構(gòu)的ZnO只會在高壓下（＞1OMPa）才會出現(xiàn)。而六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO在普通環(huán)境下熱穩(wěn)定性最好，所以也是最常見的一種ZnO結(jié)構(gòu)［10］。在常溫常壓下，六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，空間群為（P63mc），點群為6mm。在這種結(jié)構(gòu)中，Zn原子和O原子都是按照密堆積的方式排列：每個Zn原子周圍有4個近鄰的O原子并與之形成sp3鍵并被O原子所形成的四面體所包圍，并占據(jù)約四面體體積的一半大小，同時，O原子也有著與Zn原子相同的排列方式。按照這種排列方式，Zn原子層和O原子層交互堆積起就形成了整個晶體。其中，Zn原子和O原子的堆積方向都是［001］方向，每個原子層也是一個［001］面方向。但是由于ZnO具有離子性，所以通常將從O晶面指向Zn晶面定義成［001］方向，從Zn晶面指向O晶面的為［001］方向［11］。由于［001］面在平衡狀態(tài)下是具有光滑性，所以在ZnO薄膜的生長形成過程中，一般是具有極為明顯的［001］面擇優(yōu)生長的特性，也就是c軸擇優(yōu)取向［12］。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO的晶格常數(shù)為：a=3.2475～3.2496，c=5.2042～5.2075　；c/a=1.5930～1.6035（接近1.633的理想密堆結(jié)構(gòu)），c軸方向的Zn原子和O原子間距為0.1992nm，除此之外方向的間距為0.1973nm［13］。

因為ZnO中的Zn和O原子之間的化學鍵處于離子鍵和共價鍵之間，c軸方向所形成的Zn-O鍵具有較強的極性。而鍵的特性也決定了ZnO的一些特殊性質(zhì)［14］。

1.1.2　ZnO的能帶結(jié)構(gòu)

簡化情況下的纖鋅礦ZnO的能帶結(jié)構(gòu)導帶具有Γ7對稱性，而價帶卻分裂成三個子價帶：Γ7、Γ9和Γ7［17］。而根據(jù)空穴的有效質(zhì)量可以分析得知，越靠近價帶的空穴有效質(zhì)量越大，所以為了區(qū)分可以將這三個價帶所對應激子的發(fā)射分別定義為：Γ7（A），導帶底到重空穴的躍遷；Γ9（B），導帶到輕空穴的躍遷；Γ7（C），導帶到配位場分裂帶的躍遷。因為在半導體中，存在著從導帶與價帶之間的載流子躍遷行為，而這些行為常常伴隨著光子的吸收或者發(fā)射。所以半導體的能帶結(jié)構(gòu)決定著其光吸收和發(fā)射性能，對器件有著極大影響［18］。

1.1.3　ZnO的電學性質(zhì)

由于氧空位和鋅間隙的存在，本征ZnO是一種N型半導體，不過本征ZnO的導電性質(zhì)較弱。作為第三代半導體，ZnO有著優(yōu)異的電學性能，能夠在高功率高溫器件上有著光明的應用前景。未摻雜的ZnO半導體的載流子濃度一般在1016cm-3數(shù)量級，而其電子遷移率在Monte Carl。模擬計算方法下能夠達到300cm2/Vs［19］。然而在實際制備情況下，由于不同的制備方法對ZnO的電學性質(zhì)會造成較大的影響，所以一般其電子遷移率相差情況也很大。目前所知的最高電子遷移率已經(jīng)達到440cm2/Vs，這是由Ohtom等人利用PLD技術(shù)所獲得的未摻雜的ZnO薄膜。然而絕大多數(shù)的ZnO薄膜電子遷移率仍然是停留在100cm2/Vs以下［20］。所以，一般ZnO都會通過摻雜來提高薄膜的電子遷移率以及載流子濃度。對ZnO的電學性能的表征主要包括霍爾效應、四探針電阻率測試、電流電壓曲線測試、電容電壓曲線測試。而在本實驗中主要用到的方法是霍爾效應來表征薄膜的電阻率、載流子濃度和霍爾遷移率。

1.1.4　ZnO的光學性質(zhì)

半導體的光學性質(zhì)與其禁帶寬度也有著密不可分的聯(lián)系。ZnO在室溫下禁帶寬度為3.37eV，對應紫外波段，這就使得其在短波長的光電器件應用上極具前景，特別是在藍綠發(fā)光二極管和激光二極管的應用上被寄予厚望。

ZnO所具備的最重要的兩個光學特性一個是受激發(fā)射和光致發(fā)光。如前面所提到的，其激子束縛能高達60meV［21］。早在1966年，ZnO的低溫受激輻射已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。但是這一現(xiàn)象會隨著溫度升高到室溫的時候幾乎完全消失，所以并未引起當時研究學者的充分重視。19世紀末20世紀初，越來越多的研究都在室溫下觀測到不同制備方法獲得的ZnO材料中ZnO的紫外激光發(fā)射，其受激發(fā)射的特性逐漸引起了人們的極大興趣［22，23］。

此外，人們對ZnO的光致發(fā)光特性也做了大量研究。研究表明，室溫下ZnO薄膜的發(fā)光波段包括紫外波段和可見光波段。而對于發(fā)光機理，一般認為可見光波段主要是由ZnO中存在的鋅間隙或者氧空位等形成的發(fā)光復合中心所導致的，而紫外波段則是有自由激子的復合產(chǎn)生光子所獲得［24-26］。

在本文中，因為我們所研究的ZnO薄膜主要功能是作為透明導電薄膜，并將所制備的導電薄膜用于太陽能電池，所以主要研究的光學性質(zhì)包括其透過率以及禁帶寬度。所用到的光學性質(zhì)表征方法主要是UV-VIS。