Tính chất điện và quang của ZnO

1.3.4.1. Tính chất điện của ZnO

ZnO là bán dẫn loại n, độ rộng vùng cấm 3,4 eV ở 300 K. ZnO tinh khiết là chất cách điện, ở nhiệt độ thấp. Dƣới đáy vùng dẫn tồn tại 2 mức donor cách đáy vùng dẫn lần lƣợt là 0,05 eV và 0,15 eV. Ở nhiệt độ thƣờng, electron không đủ năng lƣợng để nhảy lên vùng dẫn. Vì vậy, ZnO dẫn điện kém ở nhiệt độ phòng. Khi nhiệt độ tăng đến khoảng 200 ^oC- 400 ^oC, các electron nhận đƣợc năng lƣợng nhiệt đủ lớn chúng có thể di chuyển lên vùng dẫn, lúc đó ZnO trở thành chất dẫn điện.

37

1.3.4.2. Tính chất quang của ZnO

Tính chất quang của ZnO phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lƣợng và mạng động lực. Nói chung, tính chất quang của ZnO có nguồn gốc do sự tái hợp các trạng thái kích thích có trong khối. Cơ chế này cho phép xử lý và phân tích phổ thu đƣợc từ ZnO và gắn cho nhiều sai hỏng liên quan đến đặc điểm của phổ, cũng nhƣ phát xạ cặp donor-aceptor (DAP). Sự mở rộng đỉnh từ 1,9 eV đến 2,8 eV liên quan đến một lƣợng lớn sai hỏng cũng là một tính chất quang phổ biến của ZnO. Nguồn gốc phát quang trong vùng xanh lá cây vẫn chƣa đƣợc hiểu rõ, ngƣời ta thƣờng quy cho một các tạp chất và khuyết tật khác nhau trong mạng tinh thể. Hình 1.16 là phổ huỳnh quang điển hình của ZnO loại n ở 4,2 K. Sự kích thích cặp donor - aceptor và sự mở rộng vùng phát xạ xanh đều có thể đƣợc nhìn thấy rõ ràng, nhƣ thể là bản sao của các phonon quang dọc.

Hình 1.16. Phổ huỳnh quang của ZnO khối loại n [42].

Bằng các phép đo quang phổ với ánh sáng phân cực elip, Ashkenov và cộng sự [7] đã xác định đƣợc hằng số điện môi của ZnO, bảng 1.3. Yoshikawa và Adachi [63] đã xác định sự tán sắc chiết suất cho cả hai trƣờng hợp Ec và E||c, hình 1.17. Chiết suất của ZnO wurtzite thông thƣờng là n_=2,008 và n_e=2,029 [46].

38

Hình 1.17. Sự tán sắc chiết suất của ZnO đối với Ec (a ) và E||c (b) bên dưới bờ hấp thụ cơ bản.

Đường chấm chấm biểu thị cho số liệu phổ phân cực elip còn đường liền nét biểu thị cho số liệu tính toán.

Bảng 1.3. Hằng số điện môi trong điện trường tĩnh và tần số cao của ZnO

Màng mỏng Khối

Điện trƣờng tĩnh Ec 7,46 7,77

E||c 8,59 8,91

Điện trƣờng biến thiên với tần số cao Ec 3,7 3,6

E||c 3,78 3,66

ZnO cũng có tính chất quang xúc tác tƣơng tự nhƣ TiO2. Tuy nhiên, khả năng quang xúc tác của ZnO yếu hơn so với TiO₂.