ZnO là bán dẫn loại n thuộc nhóm II - VI, độ rộng vùng cấm vào khoảng 3.4eV ở nhiệt độ phòng. Đây là loại vật liệu được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp và cuộc sống có thể kể đến như : chế tạo làm vật liệu cảm biến khí, lớp màng phủ chống tia UV, linh kiện áp điện, điện cực trong suốt dùng trong pin mặt trời,…
Cấu trúc tinh thể ZnO có cấu trúc lập phương zinc blend hoặc sáu phương wurtzite [51], trong đó, cấu trúc hexagonal wurtzite là cấu trúc phổ biến nhất. Cấu trúc này được mô tả đơn giản như là một số các mặt phẳng tạo bởi những phối vị tứ diện của các ion Zn2+ và O2- sắp xếp luân phiên dọc theo trục c. Mỗi anion (oxi trong ZnO) được bao quanh bởi 4 cation (Zn) tại góc của một tứ diện và ngược lại. Sự phối trí của khối tứ diện cơ bản là liên kết cộng hoá trị sp nhưng những loại vật liệu này còn có đặc tính ion. Ô cơ sở chứa 2 cation kẽm (Zn) và 2 anion oxi (O). Trong ô cơ sở, anion ở các vị trí (0, 0, 0) và
22
(2/3. 1/3, 1/2) và cation ở các vị trí (0, 0, u) và (2/3, 1/3, ½+u) với u1/3(a/c)2 1/4~ 3/8=0.375 ( u là thông số xác định độ dài của liên kết song song với trục c). Các thông số mạng khác như a và c, có tỉ lệ c/a 8/31.633. Bên cạnh wurtzite hexagonal, tinh thể ZnO còn kết tinh theo cấu trúc lập phương rocksalt. Tuy vậy, dạng cấu trúc tinh thể này chỉ hình thành dưới điều kiện áp suất cao. Do đó, ở điều kiện thường, ZnO thường tồn tại theo cấu trúc tự nhiên wurtzite.
ZnO tinh khiết (được chế tạo hết sức cẩn thận trong phòng thí nghiệm) là vật liệu điện môi. Nồng độ hạt tải ở vùng dẫn không đáng kể so với trường hợp bán dẫn thường 1014-1025m-3. Tuy nhiên, tính chất điện của loại vật liệu này dễ dàng thay đổi theo điều kiện xung quanh. Thêm vào đó, sự sai hỏng trong cấu trúc tinh thể hoặc do tồn tại một lượng tạp chất cũng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Quá trình tạo sai hỏng đã giải phóng một nguyên tử oxi hay nguyên tử kẽm, tạo thành một vị trí khuyết oxi hoặc kẽm tại nút mạng , có điện tích +2 hoặc +1. Quá trình này cũng cung cấp electron tự do cho vật liệu, làm tăng độ dẫn điện. Chính vì điều đó mà ZnO thường được ứng dụng để chế tạo làm màng dẫn điện trong suốt, màng nhạy khí, ... Những tính chất tiêu biểu của ZnO được trình bày ở bảng 1.3
23
Bảng 1.3 Một số tính chất cơ bản của vật liệu ZnO
Cấu trúc tinh thể
Hexagonal wurtzite
Khối lượng phân tử Zn : 65.38; O : 16; ZnO : 81.38
Hằng số mạng a= 3.426 A0, c = 5.207 A0
Khối lượng riêng 5.67 g/cm3 hay 4,21. 1919 phân tử ZnO/mm3 Năng lượng liên kết Ecoh = 1.89eV
Nhiệt độ nóng chảy Tm = 2250 K dưới điều kiện áp suất bình thường
Độ dẫn nhiệt 25W/mK tại 200C
Hệ số nở nhiệt 4.3*10-6 / K tại 200C 7.7*10-6 /K tại 6000C Độ rộng vùng cấm (T = 200
C) 3.37 eV
Khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống
m8e = 0.28 m0, m8h = 0.59m0
Nhiệt độ Debye 370 K
Năng lượng mạng tinh thể 964 kcal/mol Hằng số điện môi tĩnh 𝓔 0 = 8.75 Năng lượng liên kết exiton Eb = 60 meV
24