35
Hình 1.14. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO.
Vùng Brilliouin của tinh thể ZnO wurtzite có dạng khối lục giác tám mặt. Từ cấu trúc vùng năng lƣợng (hình 1.14), ta thấy, vùng lục giác brillouin có tính đối xứng đƣờng khá cao, đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn đều xảy ra ở số sóng k=0. Do vậy, ZnO là bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm Eg=3,4 eV. Mƣời dải đáy (xung quanh -9 eV) tƣơng ứng với các mức 3d của Zn. Sáu dải tiếp theo từ -5 eV đến 0 eV tƣơng ứng với trạng thái liên kết 2p của Ôxi. Hai trạng thái vùng dẫn đầu tiên là do sự định xứ mạnh của Zn và phù hợp với mức 3s của Zn bị trống. Ở các vùng dẫn cao hơn gần nhƣ trống electron. Vùng 2s của Ôxi xảy ra xung quanh -20 eV.
Ngoài ra, để tính toán cấu trúc vùng của ZnO khối, Ivanov và Plollmann cũng đã thực hiện một nghiên cứu toàn diện về cấu trúc điện của bề mặt của ZnO wurtzite [66]. Họ sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm liên kết chặt để xác định hàm Hamilton cho các trạng thái khối. Số liệu tính toán đƣợc tìm thấy phù hợp với số liệu thí nghiệm thu đƣợc từ phổ tổn hao năng lƣợng điện tử và phổ quang điện tử ngoại. Hình 1.15 biểu diễn véctơ mật độ trạng thái ở 3 lớp đầu tiên của mặt (0001)- Zn (bên trái) và mặt (0001 )-O (bên phải) cho các điểm , M, K của bề mặt vùng Brillouin.
36
Hình 1.15. Biểu đồ biểu diễn trường tinh thể và spin quỹ đạo chia vùng hoá trị của ZnO thành 3 vùng con A, B và C, ở nhiệt độ 4,2 K.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, vùng hoá trị của ZnO đƣợc chia thành 3 vùng trạng thái A, B và C bởi spin quỹ đạo của electron và sự chia tách trƣờng tinh thể. Sự chia tách này đƣợc minh hoạ trên hình 1.15. Vùng con A và C đƣợc biết có tính đối xứng 7 cao, trong khi đó, vùng giữa B có tính đối xứng 9. Độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào nhiệt độ, sự liên hệ này đƣợc biểu diễn bởi biểu thức:
4 2 g g 5, 05.10 T E (T) E (T 0) 900 T (35)