ऑक्साइड जिंक की बुनियाद से लेकर उसके अनुप्रयो

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बैंड संरचना, आवेशित एकल कणों की अवस्थाओं (अर्थात् इलेक्ट्रॉनों या होलों) का वर्णन करती है। चूँकि जिंक ऑक्साइड एक प्रत्यक्ष-गैप वाला अर्धचालक है, अर्थात् इसमें गोलाकार आकार के चरम बिंदु होते हैं; इसलिए ऊर्जा-बैंडों में मूल्य-बैंड का चरम मान एवं चालक-बैंड का न्यूनतम मान (VB एवं CB), ब्रीलॉयन जोन में एक ही बिंदु पर होते हैं – अर्थात् K = 0 वाले Γ बिंदु पर। इसी कारण हमें इस क्षेत्र में विशेष रुचि है। जैसा कि ऊपर बताया गया है, सबसे निचली गाइड बैंड, Zn2+ आयन की खाली 4s अवस्थाओं या विरोधी-बंधन वाली sp3 हाइब्रिडाइज्ड अवस्थाओं से बनी होती है। समूह सिद्धांत संबंधी तालिकाएँ, एवं उनमें दी गई संदर्भ सामग्री हमें बताती हैं कि गाइड बैंड के तल पर, स्पिन को ध्यान में न रखने पर Γ1 सममिति होती है; जबकि स्पिन को ध्यान में रखने पर Γ1×Γ7=Γ7 सममिति होती है। प्रभावी इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान (अधिक सटीक रूप से, पोलरोन) लगभग सर्वदिशीय होता है; इसका मान लगभग (0.28 ± 0.02) m0 होता है। यदि स्पिन को ध्यान में न लिया जाए, तो O2- द्वारा आक्रमित 2p ऑर्बिटलों या बंधे हुए SP3 हाइब्रिड ऑर्बिटलों से उत्पन्न वैलेंस बैंड, षट्कोणीय क्रिस्टल क्षेत्र के प्रभाव से Г5 एवं Г1 नामक दो अवस्थाओं में विभाजित हो जाते हैं। स्पिन को ध्यान में रखने पर, स्पिन-ऑर्बिटल संयोजन के कारण ऊर्जा-बैंड और अधिक विभाजित हो जाते हैं; इस प्रकार तीन सममित उप-ऊर्जा-बैंड बन जाते हैं। (Г1+Г5)×Г7=Г7+Г9+Г7. इन ऊर्जा-बैंडों को, सभी ज़िन्कऑक्साइड-संरचना वाले अर्धचालकों (जैसे ZnS, CdS, CdSe, या GaN) में, उच्च ऊर्जा से निम्न ऊर्जा की दिशा में A, B, C ऊर्जा-बैंडों के रूप में चिह्नित किया गया है। अधिकांश मामलों में, ऊर्जा-स्तरों का क्रम AГ9, BГ7, C7 होता है; एवं स्पिन-ऑर्बिटल विभाजन, क्रिस्टल-फील्ड विभाजन की तुलना में अधिक होता है। हालाँकि, ZNO के संबंध में लंबे समय से बहस चल रही है – क्या वैलेंस बैंडों का क्रम सामान्य है, या फिर “नेगेटिव स्पिन ऑर्बिटल कपलिंग” के कारण AG7, BG9, CG7 जैसा क्रम है, या फिर वैलेंस बैंडों का क्रम उल्टा है। वास्तव में, स्पिन-ऑर्बिटल संयोजन हमेशा धनात्मक ही होता है। लेकिन चूँकि ऑक्सीजन का न्यूक्लियर आवेश संख्या कम है, इसलिए षट्कोणीय एवं घनाकार IIb संरचनाओं वाले सल्फाइड, सेलेनाइड, टेल्यूराइडों से प्राप्त आंकड़ों के आधार पर ऑक्साइडों के लिए यह मान लगभग 15 मेवा होना चाहिए। ऑक्सीजन के 2P ऊर्जा स्तर एवं जिंक के 4D ऊर्जा स्तर के बीच होने वाला प्रतिकर्षण, Г7 ऊर्जा स्तर को Г9 ऊर्जा स्तर से ऊपर ले जा सकता है; इसके परिणामस्वरूप मूल्य-बैंडों का क्रम उलट जाता है। Ib-VII समूह के अर्धचालक CuCl में भी ऐसी ही स्थिति देखी गई है। चूँकि A एवं B मूल्य-बैंडों के बीच का अंतर केवल 5 मिलीइलेक्ट्रॉन-वोल्ट के स्तर पर है, एवं चयन-नियम भी लगभग समान हैं (AГ9 एवं BГ7 मूल्य-बैंडों से Г7 गाइड-बैंड में संक्रमण डाइपोल रूप में होता है; जबकि स्पिन-फ्लिप केवल EC रूप में ही संभव है), इसलिए A एवं B मूल्य-बैंडों की सममिति के बारे में चर्चा करना अनावश्यक है। लेकिन इस तरह के प्रश्नों पर अक्सर बहुत लंबी चर्चा होने की संभावना रहती है। हाल ही में साहित्य में ZnO में सामान्य मूल्य-बैंड क्रम का समर्थन करने हेतु प्रस्तुत की गई विभिन्न विस्तृत चर्चाओं की पुष्टि नहीं हुई है। हमने परिशिष्ट A में, कीमत-बैंडों के क्रम को उलटने से संबंधित विभिन्न तर्कों एवं संदर्भों, साथ ही बैंड-संरचना संबंधी गणनाओं से संबंधित जानकारियों का सारांश दिया है। इसलिए, हम नीचे दिए गए विपरीत क्रम AГ7, BГ9, CГ7 का उपयोग करते हैं। जिंक ऑक्साइड में, प्रभावी होलों का गुणधर्म सर्वदिशाओं में समान होता है। A, B, एवं C वैलेंस बैंडों से संबंधित विशेष मान निम्नलिखित हैं। कुछ ऊर्जा-बैंड संरचना संबंधी गणनाओं (परिशिष्ट A देखें) से पता चलता है कि वैलेंस बैंडों में गुणधर्मों में काफी अंतर होता है; ठीक वैसे ही जैसे CdS में होता है। लेकिन साहित्य में उपलब्ध प्रयोगात्मक आंकड़ों से ऐसा नहीं लगता कि ZnO में भी ऐसी अंतरदिशात्मकता होती है। G7 सिमेट्री वाले ऊर्जा-बैंड में शायद एक छोटा k-रैखिक घटक हो सकता है; लेकिन चित्र 7 में दर्शाए गए A-मूल्य बैंड में केवल k⊥c ही मौजूद है। गाइड बैंड संबंधी इस प्रभाव को नजरअंदाज किया जा सकता है। लेख का स्रोत: http://www.jszfxy.cn/news/show-212.html