ZnO晶体结构的分析和优化

ZnO 是Ⅱ—Ⅳ族中典型的双原子半导体金属氧化物。按ZnO 的阳离子和阴离子的半径比r+/r-，锌离子的配位数应为6。但ZnO 晶体中存在离子极化，使得r+/r-下降，从而导致配位数和键性的变化，其化学键的类型介于离子键与共价键之间。

在热力学稳定的常温常压环境中，ZnO 的存在形式是纤锌矿晶体结构（WZ），属于六方晶系，P63mc 空间群。在ZnO 的晶体结构中，O2-按六方紧密堆积排列，Zn2+充填于1/2 的四面体空隙中，Zn2+的配位数为4，O2-的配位数也是4。实验研究证明，六方纤锌矿结构可以在约10 GPa 的高压下转变成亚稳态的NaCl 型结构。但是这种NaCl 型结构具有较高的自由能，很难在晶体的生长过程中稳定存在。亚稳态的ZnO 闪锌矿结构（ZB）通常也是不能稳定存在的，它仅可以生长在一些立方结构的衬底上，如ZnS 与GaAs/ZnS 衬底。我们日常生活中所见的ZnO 基本上是纤锌矿结构的ZnO 晶体，如图1.1.2 所示。

图1.1.2　六方纤锌矿ZnO 晶体结构示意图

图1.1.3 为ZnO 晶体结构模型和极性面示意图。从图1.1.3 中可以看出六方纤锌矿结构的ZnO （0001）面不具有反向对称性，从而使ZnO 在相应的[0001]方向具有离子极性。通常极性面会表现出强大的表面重组现象，但是ZnO 的（0001）面比较特殊，它不经过重组也能稳定存在。目前大家普遍认为ZnO （0001）面稳定的原因有：一是靠晶层之间的电子弛豫实现电子从-（0001）向+（0001）方向转移而稳定；二是在ZnO 的（0001）面存在Zn2+缺陷，从而导致晶层之间相对O2-过剩达到稳定状态。这种独特的非中心对称的极性晶体结构直接决定着氧化锌材料的很多性质，如生长行为、缺陷的产生、塑性、机电耦合性、压电及热电性质。(www.xing528.com)

电子带结构决定ZnO 材料的半导体性质，尤其是Zn3d 与O2p 轨道的能级状态。低指数晶面族{0001}与{10-10}中表面电子的能级结构以及悬键的状态，还将直接决定氧化锌材料的表面性质及化学行为。目前已经有很多理论与实验研究组从不同的角度，利用不同手段对氧化锌的电子带结构进行了研究，但结果相去甚远，没有统一的结论。

图1.1.3　ZnO 晶体结构模型和极性面示意图

氧化锌（ZnO）是一种重要的Ⅱ—Ⅳ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子结合能高达60 MeV。宽禁带和室温下有较大的激子束缚能，保证它可以在室温下实现紫外激光发射，使ZnO 成为一种重要的光学和光电子学的半导体材料，是继砷化镓后出现的又一种备受关注的新一代半导体材料，在紫、蓝、绿色发光二极管，激光器和紫外探测器等方面显示出巨大的应用潜力。不仅如此，ZnO 同时具有半导体的光电性能、压电效应、高的热稳定性、气敏特性、生物安全性和生物兼容性等，使氧化锌在生物医学、军事、无线通信和传感方面都具有重要的应用价值。