從氧化鋅基礎到應用

點擊次數:412 更新時間:2014-03-17 01:09:44?? ??來源:http://www.jeanroubier.com/ 【關閉
        能帶結構描敘了帶電的單粒子狀態(即電子或空穴)。由于氧化鋅是一種直接帶隙半導體,即有球形極值點,能帶中價帶極大值和導帶極小值(VB和CB)在布里淵區中的相同點,即在K = 0的Г點,我們主要對此區域感興趣。如上所述,最低的導帶是由Zn2+空的4s態或反鍵的sp3雜化態構成的。群理論的兼容性表以及其中參考資料)告訴我們,導帶底有不考慮自旋的Г1對稱性和考慮自旋的Г1×Г7=Г7對稱性。有效電子質量(更準確地說極化子)幾乎各向同性,其值大約為(0.28 ± 0.02)m0。
        源于O2-被占據的2p軌道或束縛SP3雜化軌道的價帶若不計自旋,在六方晶體場的影響下被分裂成Г5和Г1兩種狀態??紤]自旋后,由于自旋軌道的耦合,能帶進一步分裂成三個兩階退化的對稱的亞價帶,(Г1+Г5)×Г7=Г7+Г9+Г7。這些價帶在所有的纖鋅礦結構的半導體(如ZnS, CdS, CdSe, or GaN)中從高能量到低能量被標為A,B,C能帶。在絕大多數情況下,能帶排序為AГ9, BГ7,C7,而且自旋軌道分裂比晶體場分裂更大。然而,對于ZNO有長期的爭論,是否價帶的順序是通常的,還是所謂“負自旋軌道耦合”的AГ7, BГ9, CГ7順序,或倒置的價帶順序。
        事實上,自旋軌道耦合總是正的。但由于氧的核電荷數小,從六角和立方IIb結構的硫化物,硒化物,碲化物的數據可以外推到氧化物大約為15meV,。這個能級(氧的2P)與滿占據態的鋅4D能級之間的排斥可能容易使一個Г7-能級高于Г9態,導致一個倒置的價帶順序[5],在Ib-VII族半導體CuCl中也有這種現象。由于A和B價帶的分裂只有5毫電子伏的數量級,而且選擇規則基本一樣(兩個上面的AГ9和BГ7價帶到Г7導帶的轉變是偶極子,而自旋翻轉(spinflip)只能允許是E C,從價帶CГ7只能是E C),關于A和B價帶對稱性的討論是小題大做。但是這些類型的問題往往傾向于有一個非常長的討論時間。最近在文獻中提出的各種詳細的支持ZnO中正常的價帶順序的討論未被證實。我們在附錄A中總結了一些支持和反對倒置價帶順序的爭論和文獻,以及能帶結構計算的文獻。因此,我們使用下面的倒置順序AГ7,BГ9,CГ7。
        氧化鋅中有效空穴質量是各向相同的,A,B,和C價帶類似的特征值如下
一些能帶結構計算(見附錄A)預測價帶有很強的質量各向異性,正如他們了解的如CdS,但是文獻中收錄的實驗數據看來沒有確定ZnO有這樣的各向異性。
Г7對稱的能帶也許有一個小的k-線性項,但在圖7顯示的A價帶只有k⊥c。對于導帶這個效應是可以忽略的。
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