من أساس أكسيد الزنك إلى التطبيقات

Thread Content

يصف هيكل المناطق الطاقية حالات الجسيمات المشحونة (أي الإلكترونات أو الثقوب). نظرًا لأن أكسيد الزنك هو نصف موصل ذو فجوة طاقة مباشرة، أي أن له نقاط قصوى كروية، حيث تتطابق قيمة الطاقة القصوى في النطاق الثابت وقيمة الطاقة الدنيا في النطاق الموصل (VB و CB) في نقطة واحدة داخل منطقة بريلوين، أي في نقطة K = 0، فإننا مهتمون بشكل رئيسي بهذه المنطقة. كما ذُكر أعلاه، فإن الحزام التوجيهي الأدنى يتكون من الحالة 4s الفارغة لأيون Zn2+ أو من الحالات المختلطة sp3 غير المرتبطة. يخبرنا جدول توافق نظرية المجموعات والمراجع المرفقة به أن قاع النطاق التوجيهي يتمتع بتماثل G1 عند عدم أخذ الدوران في الاعتبار، وبتماثل G1×G7=G7 عند أخذ الدوران في الاعتبار. الكتلة الإلكترونية الفعالة (أو بشكل أدق، البولارون) تكون شبه متجانسة من جميع الاتجاهات، وقيمتها تقريبًا (0.28 ± 0.02) m0. إذا تم تجاهل الدوران، فإن الطاقة السعرية الناتجة عن المدارات 2p المشغولة بالأيونات O2- أو المدارات المختلطة SP3 المرتبطة، تنقسم تحت تأثير المجال البلوري السداسي إلى حالتين وهما Г5 وГ1. مع أخذ الدوران في الاعتبار، وبسبب الترابط بين الدوران والمدار، ينقسم النطاق الطاقي إلى ثلاثة نطاقات فرعية متماثلة ذات تدهور من الدرجة الثانية، وذلك وفقًا للعلاقة (Г1+Г5)×Г7=Г7+Г9+Г7. تُرمز هذه الأنظمة الطاقية في جميع أشباه الموصلات ذات بنية الزنكيت (مثل ZnS، CdS، CdSe، أو GaN)، من الطاقة العالية إلى الطاقة المنخفضة، بالأنظمة A وB وC. في الغالبية العظمى من الحالات، يكون ترتيب المستويات الطاقية كالتالي: AГ9، BГ7، C7، ويكون فصل الدوران الذري أكبر من فصل المجال البلوري. ومع ذلك، هناك جدل منذ فترة طويلة بشأن ZNO حول ما إذا كان ترتيب الأوربيتالات الطاقية هو الترتيب المعتاد، أم ترتيب AG7 وBG9 وCG7 الناتج عن ما يُسمى بـ “التزاوج بين الأوربيتالات ذات الدوران السلبي”， أو ترتيب معكوس للأوربيتالات الطاقية. في الواقع، فإن ترابط الدوران والمدار دائمًا ما يكون إيجابيًا. ولكن نظرًا لصغر عدد الشحنات النووية للأكسجين، يمكن التعميم من بيانات كبريتيدات وسيليكيدات وتلوريدات ذات البنى السداسية والمكعبية من النوع IIb إلى أكسيدات، حيث تكون قيمتها حوالي 15 ميجا إلكترون فولت. قد يؤدي التنافر بين هذا المستوى الطاقي (2P للأكسجين) ومستوى 4D المشبع للزنك إلى رفع مستوى Г7 فوق مستوى Г9، مما يؤدي إلى ترتيب عكسي للحزام الطاقي، وهذه الظاهرة موجودة أيضًا في أشباه الموصلات من المجموعات Ib-VII مثل CuCl. نظرًا لأن فجوة الطاقة بين المستويين الطاقيين A وB تبلغ حوالي 5 ميلي إلكترون فولت فقط، وبما أن قواعد الاختيار متشابهة إلى حد كبير (فإن الانتقال من المستويين الطاقيين AГ9 وBГ7 إلى المستوى الطاقي Г7 يتم عبر دوبلر، بينما يمكن أن يحدث تغيير في الدوران الذري فقط عبر EC، ومن المستوى الطاقي CГ7 يمكن أن يحدث التغيير أيضًا عبر EC)، فإن الحديث عن تماثل المستويين الطاقيين A وB هو مجرد مبالغة. لكن هذه الأنواع من المشكلات غالبًا ما تتطلب وقتًا طويلاً جدًا للنقاش. لم يتم تأكيد المناقشات المختلفة التي ظهرت مؤخرًا في الأدبيات العلمية والتي تدعم الترتيب الطبيعي للنطاق الطاقي في ZnO. لقد قمنا في الملحق أ بتلخيص بعض الحجج والمراجع التي تدعم أو تعارض ترتيب النطاقات الطاقية المعكوس، بالإضافة إلى المراجع المتعلقة بحسابات بنية النطاقات الطاقية. لذلك، نستخدم الترتيب المعكوس التالي: AГ7، BГ9، CГ7. إن جودة الفجوات الفعالة في أكسيد الزنك متساوية في جميع الاتجاهات، والقيم المميزة للطبقات ذات الطاقة A وB وC هي كالتالي. تشير بعض حسابات بنية الطبقات الطاقية (انظر الملحق أ) إلى وجود تباين كبير في جودة الطبقات الطاقية، تمامًا كما هو الحال في مادة CdS. لكن البيانات التجريبية المذكورة في الأدبيات العلمية لا تؤكد وجود مثل هذا التباين في أكسيد الزنك. قد يحتوي النطاق الطاقي المتماثل G7 على مصطلح خطي صغير في k، لكن في النطاق الطاقي A الموضح في الشكل 7، يكون هناك فقط k⊥c. بالنسبة للنطاق التوجيهي، يمكن تجاهل هذا التأثير. مصدر المقال: http://www.jszfxy.cn/news/show-212.html