از پایه روی اکسید تا کاربردها

Thread Content

ساختار باندها، حالت‌های ذرات باردار (یعنی الکترون‌ها یا حفره‌ها) را توصیف می‌کند. از آنجایی که روی اکسید نوعی نیمه‌هادی با شکاف انرژی مستقیم است، یعنی دارای نقاط اقلیمی کروی است، حداکثر مقدار باند انرژی متوسط و حداقل مقدار باند هدایت‌کننده (VB و CB) در همان نقطه در منطقه بریلوین قرار دارند؛ یعنی در نقطه Г با K = 0. ما عمدتاً به این منطقه علاقه داریم. همان‌طور که گفته شد، کمترین باند راهنما از حالت خالی ۴s یون Zn2+ یا حالت هیبریداسیون sp3 ضدپیوندی تشکیل شده است. جدول سازگاری‌های نظریه گروه‌ها و منابع مرتبط، به ما نشان می‌دهند که در ته باند رهبر، سمتتری Г1 بدون در نظر گرفتن اسپین و سمتتری Г1×Г7=Г7 با در نظر گرفتن اسپین وجود دارد. جرم الکترون مؤثر (دقیق‌تر بگوییم، پولارون) تقریباً همگن است و مقدار آن حدود (۰.۲۸ ± ۰.۰۲) m0 می‌باشد. باند ارزشی که از اوربیتال‌های ۲p پر شده توسط O2- یا اوربیتال‌های هیبریدی SP3 نشأت می‌گیرد، در صورت نادیده گرفتن اسپین، تحت تأثیر میدان بلوری هگزاگونال به دو حالت G5 و G1 تقسیم می‌شود. پس از در نظر گرفتن اسپین، به دلیل تداخل اسپین-مداری، باندهای انرژی به سه زیرباند متقارن و دارای تکینگی درجه دوم تقسیم می‌شوند: (Г1+Г5)×Г7=Г7+Г9+Г7. این باندهای انرژی در تمام نیمه‌هادی‌های با ساختار زینکیت (مانند ZnS، CdS، CdSe یا GaN)، از انرژی بالا به پایین، به عنوان باندهای انرژی A، B و C مشخص می‌شوند. در اکثر موارد، ترتیب باندها AГ9، BГ7، C7 است و شکاف اسپین-مداری بزرگتر از شکاف میدان کریستالی است. با این حال، بحث‌های طولانی‌مدتی درباره ZNO وجود دارد مبنی بر اینکه آیا ترتیب باندهای ارزشی معمول است، یا ترتیب AG7، BG9، CG7 مربوط به آنچه «پیوند مداری با اسپین منفی» نامیده می‌شود، یا ترتیب معکوس باندهای ارزشی. در واقع، تداخل اسپین-مدار همواره مثبت است. اما به دلیل شار الکتریکی کم هسته اکسیژن، می‌توان از داده‌های سولفیدها، سلنیدها و تلوریدهایی با ساختارهای شش‌گوش و مکعبی IIb، مقدار آن را برای اکسیدها حدود ۱۵ مگاالکترون‌ولت تخمین زد. درگیری بین این سطح انرژی (۲P اکسیژن) و سطح انرژی ۴D روی که در حالت پربار است، ممکن است باعث شود سطح انرژی Г7 بالاتر از سطح Г9 قرار گیرد؛ این امر منجر به ترتیب معکوس باندهای ارزشی می‌شود. چنین پدیده‌ای در نیمه‌هادی‌های گروه Ib-VII مانند CuCl نیز وجود دارد. از آنجایی که اختلاف بین باندهای ارزشی A و B تنها در مقیاس ۵ میلی‌الکترون‌ولت است و قوانین انتخاب نیز تقریباً یکسان هستند (تبدیل از دو باند ارزشی AГ9 و BГ7 به باند راهنمای Г7، یک دوقطبی است؛ در حالی که تغییر اسپین تنها می‌تواند نوع EC باشد، و از باند ارزشی CГ7 نیز تنها می‌تواند نوع EC باشد)، بحث درباره تقارن باندهای ارزشی A و B بی‌مورد است. اما این نوع مسائل معمولاً تمایل به داشتن زمان بحث بسیار طولانی دارند. بحث‌های مختلف و دقیقی که اخیراً در منابع علمی برای حمایت از ترتیب طبیعی باند ارزشی در ZnO مطرح شده‌اند، تأیید نشده‌اند. در پیوست A، برخی از استدلال‌ها و منابع موافق و مخالف با ترتیب معکوس نوارهای انرژی، همچنین منابع مربوط به محاسبات ساختار نوارهای انرژی را خلاصه کرده‌ایم. بنابراین، از ترتیب معکوس زیر استفاده می‌کنیم: AГ7، BГ9، CГ7. کیفیت حفره‌های مؤثر در روی اکسید، در تمام جهات یکسان است. مقادیر ویژه مشابه برای باندهای انرژی A، B و C نیز به همین شکل هستند. برخی محاسبات مربوط به ساختار باندهای انرژی (به پیوست A مراجعه کنید)، وجود آنیزوتروپی قوی در کیفیت باندهای انرژی را پیش‌بینی می‌کنند؛ همان‌طور که در مورد CdS نیز مشاهده شده است. اما داده‌های تجربی مندرج در منابع علمی، وجود چنین آنیزوتروپی در ZnO را تأیید نمی‌کنند. باندهای انرژی متقارن G7 ممکن است دارای یک جمله خطی کوچک نسبت به k باشند، اما در باند ارزش A که در شکل ۷ نشان داده شده است، تنها مقدار k⊥c وجود دارد. برای باند رهنمون، این اثر قابل نادیده گرفتن است. منبع مقاله: http://www.jszfxy.cn/news/show-212.html