1樓：
半導體材料：氧化鋅半導瓷 化學式：zno
基本概況：zno(氧化鋅)是一種新型的化合物半導體材料ⅱ一ⅵ寬禁帶(e =3．37ev)。在常溫常壓下其是一種非常典型的直接寬禁半導體材料，穩定相是六方纖鋅礦結構，其禁頻寬度所對應紫外光波長，有希望能夠開發出藍綠光、藍光、紫外光等等多種發光器件。
氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優異的常溫發光效能，在半導體領域的液晶顯示器、薄膜電晶體、發光二極體等產品中均有應用。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種奈米材料也開始在相關領域發揮作用。
晶體資料：
針狀體根部直徑 (μm) 0.1～10
比熱 (j/g·k) 5.52
耐熱效能 (℃)
1720(昇華）
真實密度 (g/cm3) 5.8
表觀密度 (g/cm3) 0.01～0.5
粉體電阻率 (ω·cm) 104～109
介電常數 (實部) 4.5～30
介電常數 (虛部) 20～135
拉伸強度 (mpa) 1.2×104
彈性模量 (mpa) 3.5×105
熱膨脹率 (％/℃) 4×106
氧化鋅空間結構 電鏡下的氧化鋅半導體材料
製備方法：純氧化鋅是煅燒鋅礦石或在空氣中燃燒鋅條而得。氧化鋅結晶是六角晶系，晶格常數α=3.
25×10-10m，c=5.20×10-10m。室溫下滿足化學計量比關係的氧化鋅晶體或多晶體中導電載流子極少，具有絕緣體的效能。
在空氣中經高溫處理後，將會因氧的過剩或不足而成為偏離化學計量比關係的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學計量比結晶，使自由電子或空穴大大增多，氧化鋅由白色絕緣體變成青黑色半導體。當在氧化鋅中加入適量的其他氧化物或鹽類,如bi2o3、sb2o3、co2o3、mno、cr2o3、al2o3或al(no3)2等作為新增劑，按一般的陶瓷工藝成型燒結，可以製得氧化鋅半導瓷。
理論模型:六方纖鋅礦結構是理想的氧化鋅，對稱性c6v-4、屬於p63mc空間群，品格常數c=o．521 nm，y=120 ，a=b=o．325 nm，α=β= 90。。其中c／a較理想的六角柱緊堆積結構的1．633稍小為1．602。
其它方向的氧zno鍵長為o．197 nm，只有c軸方向為0．199 nm，其晶胞由鋅的六角密堆積與氧的六角密堆積反向套夠而成。本文所有的及孫模型都是以超晶胞為基礎的模型。我們可以看出，在氧化鋅中的配位體是一個三角錐，錐頂原子和中心原子的鍵長與錐面三個原子的鍵長相比要稍大，其稜長小於底面邊長。
所以，zno 四面體為晶體中02-一配位多面體，o2-與zn 配位情況基本相同。
計算結果：利用實驗晶格引數對理想的zno晶體的電子結構進行了計算。其中包括總體態密度，能帶結構，分波態密度。
圖3，圖4，圖5為計算結果。用其他理論方法計算的結果與本文計算結果相符合。我們可以從圖3，圖4，圖5中看出，基本上，zno的價帶可分為兩個區域，分別是-4．0～0 ev的上價帶區以及一6．0～l4．0 ev的下價帶。
很顯然，zno下價帶區則主要是zn3d態貢獻的，而上價帶區則主要是由02p態形成的。在一18 ev處由02s態貢獻的價帶部分，與其他兩個價帶由於之間的相互作用相對較弱，本文不做相關討論。對於主要**幹zn4s態貢獻的導帶部分，從zn4s態到02p態電子具有明顯的躍遷過程，氧位置處的局域態密度的引力中心受到影響向低能級方向移動，這就表明了，理想zno是一個共價鍵較弱，離子性較強的混合鍵金氧半導體材料。
組成：這種半導瓷由半導電的氧化鋅晶粒及新增劑成分構成的晶粒間層所組成，其理想結構模型如圖。由於每一個氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個接觸區，具有一般半導體接觸的單向導電性，所以兩個晶粒間存在兩個相反位置的整流結，一塊氧化鋅半導瓷片是大量相反放置的整流結組的堆積。
圖6：氧化鋅半導瓷空間結構
氧化鋅半導瓷的伏安特性：當外加電壓於這種材料時，低電壓下，由於反偏整流結的阻擋作用，材料呈高阻狀態，具有絕緣效能。當電壓高達一定值時，整流結髮生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導電材料，可以通過相當大密度的電流。
圖7：氧化鋅半導體瓷的伏安特性
作用：氧化鋅半導瓷的非線性電壓電流關係。利用這種對稱的非線性伏安特性可以製成各種電壓限幅器、能量吸收裝置等，如電力系統的過電壓保護裝置，特別是由於這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長期工作電壓下漏電流小、發熱小，可以做成不帶火花間隙的高壓避雷器；而高電壓下電阻低、殘壓小，能把過電壓限制在更低的水平上，使電網和電工裝置的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電網，這一點更為重要。
拓展：稀磁半導體材料（diluted magnetic semiconductors，dms）
稀釋磁性半導體簡稱稀磁半導體(diluted magneticsemi conductors,dms),是利用3d族過渡金屬或4f族稀土金屬的磁性離子替代ⅱ2ⅵ族、ⅳ2ⅵ族、ⅱ2ⅴ族或ⅲ2ⅴ族等化合物半導體中的部分非磁性陽離子而形成的新型半導體材料,又可稱為半磁半導體(semi magnetic semi conductors,smsc)材料或半導體自旋電子材料。之所以稱為稀磁半導體是由於相對於普通的磁性材料,其磁性元素的含量較少。這類材料由於陽離子替代而存在局域磁性順磁離子,具有很強的局域自旋磁矩。
局域順磁離子與遷移載流子(電子或空穴)之間的自旋2自旋相互作用結果產生一種新的交換相互作用,使得稀磁半導體具有很多與普通半導體截然不同的特殊性質,如磁性、顯著的磁光效應和磁輸運性質。稀磁半導體能利用電子的電荷特性和自旋特性,即兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性。它將半導體的資訊處理與磁性材料的資訊儲存功能、半導體材料的優點和磁性材料的非易失性兩者融合在一起,這種材料研製成功將是材料領域的革命性進展。
同時,稀磁半導體在磁性物理學和半導體物理學之間架起了一道橋樑。
zno作為一種寬頻隙半導體,激子束縛能較高(60mev),具有溫度穩定性好、光透過率高、化學效能穩定,原料豐富易得、**低廉等優點,並且過渡金屬離子易於摻雜,可製備效能良好的稀磁半導體,因而成為目前稀磁半導體材料的研究熱點。
國內研究以及原理：近年來，由於1i摻雜的zn()材料可能同時具有鐵電性和鐵磁性，國內很多研究者都對它進行了研究。南京大學的宋海岸等製備了ni、i』i共摻的zno薄膜，發現由於li摻雜引入了空穴，使鐵磁性減弱 ]。
北京航空航天大學的李建軍等製備了i co共摻的zno奈米顆粒，實驗發現，當摻雜濃度少於9 時體系的鐵磁性會增強，其原因是摻入後形成了填隙原子，電子濃度明顯增加，使得束縛磁極子濃度增加，且磁極子之間容易發生重疊，最終導致鐵磁耦合作用增強。武漢大學的c w zou等製備了mn、li共摻雜的zno薄膜，研究了不同mn摻雜濃度的zno樣品。但這些研究中對li、mn共摻雜zno陶瓷的磁性研究並不常見。
應用現狀與前景展望
(1)改變組分獲得所需的光譜效應
通過改變磁性離子的濃度可得到所需要的帶隙,從而獲得相應的光譜效應。由於其響應波長可覆蓋從紫外線到遠紅外線的寬範圍波段,這種dms是製備光電器件、光探測器和磁光器件的理想材料。在ⅲ2ⅴ族寬頻隙稀磁半導體gan中摻入不同的稀土磁性元素可發出從可見光到紅外的不同波長的光,加上gan本身可發紫外光,因此摻稀土gan材料可發出從紫外到紅外波段的光,如在gan中摻er可發綠光,而摻pr可發紅光等。
2023年wilson等[24]在摻er的gan薄膜中首次觀察到1.54
μm的紅外光熒光。2023年steckl等採用er原位摻雜方法首次獲得綠光發射[25],摻er的gan的另一個重要特性是其溫度猝滅效應很弱,這對於製備室溫發光器件非常重要。後來紅光和藍光器件相繼研製成功,這些都可以作為光通訊和光電整合的光源。
(2)sp2d交換作用的應用
利用dms的巨法拉第旋轉效應可製備非倒易光學器件,也可用於製備光調諧器、光開關和感測器件。
dms的磁光效應為光電子技術開闢了新的途徑。利用其磁性離子和截流子自旋交換作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效應,可製備一系列具有特殊性質的稀磁半導體超晶格和量子阱器件。這種量子阱和超晶格不僅具有普通量子阱和超晶格的電學、光學性質,而且還具有稀磁半導體的磁效應,因此器件具有很多潛在的應用價值。
利用磁性和半導體性實現自旋的注入與輸運,可造出新型的自旋電子器件,如自旋過濾器和自旋電子基發光二極體等。
(3)深入研究自旋電子學,推動dms的實用化
自旋電子學是目前固體物理和電子學中的一個熱點,其核心內容是利用和控制固體,尤其是半導體中的自旋自由度。近年來以稀磁半導體為代表的自旋電子學的研究相當活躍,各國科研機構和各大公司都投入了巨大財力和人力從事此領域的研究。利用具有磁性或自旋相關性質的dms基材料可製出一類新型器件———既利用電子、空穴的電荷也利用它們的自旋。
這些新材料和人造奈米結構,包括異質結構(hs)、量子阱(qw)和顆粒結構一直是一些新型功能的“沃土”———與自旋相關的輸運、磁阻效應和磁光效應。自旋電子學可用於計算機的硬驅動,在計算機儲存器中極具潛力。在高密度非易失性儲存器、磁感應器和半導體電路的積體電路、光隔離器件和半導體鐳射器積體電路以及量子計算機等領域,dms材料均有重大的潛在應用。
但上述以稀磁半導體為基礎的自旋電子器件的研製尚處於起步階段,距實用化還有很長的路程。自旋電子學與自旋電子學器件研究的深入,將加深dms機理的研究和理論的探索,推動dms的實用化過程。
(4)室溫dms的研究
為了應用方便,需要開發高居里溫度(tc)的dms材料(高於室溫)。室溫下具有磁性為磁性半導體的應用提供了可能。擴充套件更多的摻雜磁性元素或生長更多種類材料來提高dms材料的居里溫度是當前的首要問題。
近來hori等成功摻入5%mn在gan中,獲得了高於室溫的tc;報道表明(zn,co)o的居里溫度可達到290～380k[26]。dietl等[6]採用zener模型對閃鋅礦結構的磁半導體計算表明,gamnn和znmno具有高達室溫的居里溫度,該計算結果對實驗研究提供了很好的理論依據。但是,如何將磁性和半導體屬性有機地結合起來仍然是值得進一步研究的問題。
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