TỔNG HỢP NANÔ TINH THỂ ZnO, NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CÁC NANÔ TINH THỂ ZnO BẰNG ẢNH 3D SEM
3.1 Vật liệu ZnO
ZnO là một loại vật liệu bán dẫn II – VI có độ rộng vùng cấm khá lớn (3,37 eV ở nhiệt độ phòng), năng lượng liên kết của exciton tự do lớn (60 meV trong bán dẫn khối), ZnO có nhóm không gian là P63mc (số 186) có cấu trúc tinh thể dạng hexagonal wurtzite điển hình với các hằng số mạng a0 = 3,25 Å và c0 = 5,21 Å.
Công thức hóa học ZnO
Cấu hình điện tử Zn: [Ar] 3d104s2; O: [He] 2s22p4
Hệ tinh thể Hexagonal
Nhóm không gian P63mc
Hằng số mạng (T = 300 K) a0 = 3,25 Å; c0 = 5,21 Å
Khối lượng riêng 5,61 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy 2248 K
Hằng số điện môi tương đối 8,66 Năng lượng vùng cấm thẳng 3,37 eV Nồng độ hạt tải thuần < 106 cm-3 Năng lượng liên kết exciton 60 meV Khối lượng hiệu dụng của điện tử 0,24 m0 Độ linh động của điện tử (T = 300 K) 200 cm2
/V s Khối lượng hiệu dụng của lỗ trống 0,59 m0 Độ linh động của lỗ trống (T = 300 K) 5-50 cm2
/V s
Các hằng số điện môi ε(0)a = 7,80; ε(0)c = 7,85; ε(∞)a = 3,70; ε(∞)c = 3,75 Bán kính ion rZn2+ = 0,66 Å; rO2- = 1,31 Å
Bảng 3.1. Các tính chất và đặc trưng cấu trúc của ZnO.
Cấu trúc tinh thể của ZnO
Tinh thể ZnO có cấu trúc hexagonal wurtzite như trên hình 3.1. Cấu trúc wurtzite là một trong số các cấu trúc tinh thể phổ biến nhất của chất bán dẫn. Các bán dẫn khác cũng có cùng cấu trúc wurtzite bao gồm nitride (GaN, AlN, BN), bán dẫn A2B6 (ZnS, CdS, ZnSe, ZnTe, CdTe), SiC, và InAs… Bán dẫn ZnO có mạng Bravais cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP) như trên hình 3.1.
Cấu trúc của ZnO có thể coi như hai mạng con của cation Zn2+
và anion O2- có cấu trúc HCP lồng vào nhau và được thay thế bởi độ dài liên kết cation – anion theo hướng trục c. Ở nhiệt độ phòng các hằng số mạng của ô đơn vị có giá trị là a0 = 3,25 Å; c0 = 5,21 Å. Bán dẫn ZnO là hợp chất hai thành phần có bán kính ion khác nhau, tỉ lệ c/a của ô đơn vị cấu trúc HCP là 1,60 giá trị này nhỏ hơn giá trị c/a của HCP lí tưởng (1,633).
Số ion lân cận gần nhất trong cấu trúc hexagonal wurtzite của ZnO là 4. Mỗi ion O2-
(hoặc Zn2+) được bao quanh bởi 4 ion Zn2+
(hoặc O2-) lân cận gần nhất tạo thành cấu trúc tứ diện. Mỗi ion Zn2+
(hoặc O2-) cũng có 12 ion Zn2+ (hoặc O2-) lân cận gần nhất tiếp theo. Cấu trúc sắp xếp tứ diện của các ion thể
hiện liên kết đồng hóa trị giữa các nguyên tử Zn và O. Khoảng cách giữa 2 ion Zn2+ và O2- lân cận gần nhất theo hướng song song với trục c của ô đơn vị là 1,992 Å, còn theo 3 hướng khác nhau bên trong cấu trúc tứ diện là 1,973 Å [40]. Bán kính đồng hóa trị của Zn và O lần lượt là rZn2+
= 0,66 Å; rO2- = 1,31 Å. Tinh thể ZnO là tinh thể bất đẳng hướng với đối xứng nhóm điểm C46ν, nhóm điểm C46ν của cấu trúc hexagonal wurtzite bao gồm các phép quay ± 60°, ± 120°, và ± 180° quanh trục c, và các phép phản xạ qua mặt phẳng song song với trục c.
Hình 3.1. Cấu trúc wurtzite và cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP) của ZnO.