CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5. Vật liệu ơxít kim loại bán dẫn Zn2SnO4
1.5.2. Tính chất điện của vật liệu Zn2SnO4
Vật liệu Zn2SnO4 là chất bán dẫn loại n với độ rộng vùng cấm rộng (Eg ≈ 3,6 eV). Các tính chất bán dẫn của Zn2SnO4 được giải thích là do trong q trình chế tạo, mạng tinh thể của nó có các vị trí khuyết oxy. Mỗi nút mạng chứa oxy bị khuyết trong ô mạng sẽ tạo ra một cặp e tự do, và do đó hạt tải chính trong vật liệu Zn2SnO4 là các e. Mỗi chỗ trống oxy sẽ tạo ra một cặp e tự do có thể tham gia vào q trình dẫn điện, vì vậy ơ xít kim loại bán dẫn Zn2SnO4 là chất bán dẫn loại n.
Số lượng các vị trí khuyết oxy trên một đơn vị thể tích càng lớn thì nồng độ điện tử trên một đơn vị thể tích càng cao, dẫn đến độ dẫn của vật liệu tăng lên hay nói cách khác là điện trở của vật liệu sẽ giảm đi. Lượng oxy khuyết tật trong mạng
45
tinh thể Zn2SnO4 có thể được điều khiển thơng qua các quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ khác nhau hoặc xử lý nhiệt trong các môi trường khác nhau.
Hình 1.26 (a) là mơ hình cấu trúc điện của hai vị trí oxy trong vật liệu Zn2SnO4. Xung quanh vị trí liên kết O-A được bao quanh bởi 3 nguyên tử Zn và 1 nguyên tử Sn, trong khi ở vị trí liên kết O-B được bao quanh bởi 2 nguyên tử Zn và 2 nguyên tử Sn, và số lượng của mỗi đơn vị là giống hệt nhau. Các vị trí cation được phân loại thành một ô đơn vị tứ diện, (tet-I) và ba đơn vị bát diện (oct-I, oct-II và oct-III). Vị trí tứ diện ln bị chiếm bởi Zn [119]. Vị trí khuyết oxy được hình thành tại các vị trí khuyết ở vị trí O-A và vị trí khuyết tại vị trí O-B. Vị trí mức năng lượng sẽ phụ thuộc vào vị trí khuyết oxy theo hướng của liên kết chính O-A và O- B. Chính các vị trí khuyết oxy tạo nên các cặp điện tử tự do trong vật liệu, cái mà xác định các tính chất điện của vật liệu.
Hình 1.26 (a) Mơ hình cấu trúc điện, (b) mơ hình dải năng lượng của hai vị trí oxy trong
vật liệu Zn2SnO4 [119].
Hình 1.26 (b) cho thấy mơ hình dải năng lượng cục bộ bị chiếm bởi hai điện tử gây ra bởi các vị trí khuyết O-A và O-B. Đối với cả vị trí khuyết O-A và khuyết O-B, mặt đẳng áp được giới hạn xung quanh VO. Lưu ý rằng mặt đẳng áp tiếp xúc với nguyên tử Sn và nguyên tử oxy, những nguyên tử này tiếp giáp với các cation có hình dạng của obitan p. Ngược lại, mặt đẳng áp không tiếp xúc với các nguyên tử Zn, chứng tỏ rằng các trạng thái cục bộ bị giới hạn mạnh trong các nguyên tử Sn.
46
Do đặc tính dẫn điện và độ trong suốt với ánh sáng nhìn thấy cao [120], Zn2SnO4 đã được coi là vật liệu bán dẫn tiềm năng cho pin mặt trời [121], quang xúc tác [122], cảm biến khí [123], vật liệu điện cực cho pin Li-ion [124] và đế dẫn điện trong suốt [125], v.v.