宽禁带半导体ZnO材料的调研

ZNO薄膜的其它性质与应用



气敏特性 压敏特性 P—n结特性 压电特性


压电器件 太阳能电池 气敏元件 压敏元件 声表面波器件(SAW)
纳米氧化锌的性质和用途

纳米氧化锌的主要性质


表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大 后所引起的性质上的变化。这种变化使其表面与内部的晶格振动产生了显 著变化，导致纳米材料具有许多奇特的性能。 体积效应 当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边 界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点 等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。
宽禁带半导体ZNO的调研
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半导体的发展



20 世纪50 年代，以硅材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管，导 致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信 息处理和自动控制等领域。 20 世纪90年代，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公 路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电 子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手 机制造器件市场。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，为了满足未来电子器件需求，新发展起 来了第三代半导体材料——宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和 速度高、击穿电压高、介电常数低等特点。
纳米氧化锌的性质和用途

纳米氧化锌在防晒化妆品中的应用
纳米氧化锌具有紫外线屏蔽性、透明性及灭菌性。 当受到紫外线的照射时，价带上的电子可吸收紫外线而被激发到导带上，同 时产生空穴-电子对，因此具有吸收紫外线的功能。 纳米ZnO比普通ZnO对可见光的吸收弱得多，有很好的透过率，因此具有高度 的透明性。 纳米ZnO在阳光尤其在紫外线照射下，在水和空气（氧气）中，能自行分解出 自由移动的带负电的电子（e-），同时留下带正电的空穴（h+）。这种空穴可 以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧 化反应（包括细菌内的有机物），从而把大多数病菌和病毒杀死。 纳米ZnO应用于防晒化妆品中，不但使体系拥有收敛性和抗炎性，而且具有吸收 人体皮肤油脂的功效。
ZNO的紫外受激发射特性与应用


ZnO是一种理想的短波长发光器件材料。能以带间直接跃迁的方式获得高 效率的辐射复合。ZnO薄膜还具有较低的激射阈值，这主要是由于ZnO很 高的激子束缚能(室温下为60meV)可以大大降低低温下的激射阈值，而且 在室温下适当的激发强度，ZnO激子间的复合可取代电子-空穴对的复合， 因而可预期一个低的阈值来产生受激发射。 ZnO的紫外受激发射中主要是紫外光波段、蓝绿光波段的发射。ZnO紫外 光发射的主要机理是带间跃迁和激子复合。 ZnO基光电探测器。紫外光、蓝光等发光器件。光电探测器是一种把光辐 射信号转变为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用 所产生的光电效应。
半导体的应用


பைடு நூலகம்


元素半导体材料 硅：半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料。 锗：由于其特有性质，应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。 有机半导体材料 有机半导体材料具有热激活电导率。有机半导体芯片等产品的生产 能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用 等特性。 非晶半导体材料 在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能锂电池 薄膜晶体管等非晶体半导体器件。 化合物半导体材料 如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件， 微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。
纳米氧化锌的性质和用途



紫外线屏蔽性、透明性、灭菌性、光致发光。 纳米氧化锌在催化剂和光催化剂中的应用 纳米氧化锌具有优异的光催化活性。当氧化锌纳米粒子受到大于禁带宽度能 量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，空穴能使OH生成氧化性很高的· 自由基，可以把许多难降解的有机物氧化成CO2和H2O等 OH 无机物。 纳米氧化锌在电化学中的应用 浅色导电材料 导电氧化锌主要用于涂料、橡胶、纤维材料和陶瓷中作为导电 的白色颜料，氧化锌的导电性可赋予塑料和聚合物以抗静电性。 纳米氧化锌在橡胶轮胎中的应用 将纳米氧化锌作为导电的白色颜料填充于橡胶中，可研制出导电性橡胶，用 来制造静电屏蔽橡胶及制品。

ZNO的透明导体特性与应用


ZnO的光学透明性是由宽禁带引起的。ZnO带隙宽，对可见光和红外光吸 收很小，基本上是透明的。 ZnO的导电性主要不是依赖本征激发，而是靠附加能级的电子或空穴激发。 具有光学透明特性的宽禁带氧化物半导体材料，一般都是绝缘体，但ZnO 既有高透明性又有导电性。因此，ZnO材料在制备透明导电薄膜，紫外波 段LED和LD以及能量窗口，液晶显示，太阳电池，气体传感器，超声振荡 器和转换器等光电子器件有不错的应用前景。
结束
谢谢
电子迁移率（cm2V-1s-1 ） 电子饱和速度（cms-1 ）
截止电压（Vcm-1 ）
196 3.0
5.0
1000 3.5
5.0
800 2.0
2.2
370 2.0
2.4


由于其禁带宽度、晶格常数和GaN非常相近，所以ZnO和GaN可以互为缓 冲层来生长出高质量的GaN或ZnO薄膜。 同时ZnO室温下的禁带宽度为 3.37eV，与GaN(3.4eV)相近而他的激子束 缚能远大于GaN( 25meV)等材料，因此在蓝紫光器件方面的应用比其它 半导体更有潜力,产生室温短波长发光的条件更加优越。

纳米氧化锌的性质和用途


纳米氧化锌在纺织中的应用
将金属氧化锌粉末制成纳米级时，由于微粒尺寸与光波相当或更小，尺寸效应使 导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。在350~400nm（UVA）时，氧化锌 的遮蔽效率高，同时氧化锌（n=1.9）的折射率小，对光的漫反射率较低，使得纤 维透明度较高且利于纺织品染制。 远红外线反射纤维的材料 这种远红外线反射功能纤维是通过吸收人体发射出 的热量，并且再向人体辐射一定波长范围的远红外线，可促进人体血液循环， 遮蔽红外线，减少热量损失。保温 光致发光材料 可利用紫外光、可见光或红外光作为激发光源而诱导其发光。 氧化锌在室温下拥有较强的激发束缚能，可以在较低激发能量下产生有效率 的放光。防紫外线纤维
第三代半导体材料ZNO




Zn0是一种新型的宽禁带半导体材料。具有优异的晶格、光电、压电和介 电特性。 ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温制备时 产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价 格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。 ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的 首选材料。 ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。 无论是薄膜ZnO还是纳米ZnO在我国够有很好的发展。
ZN0的性质


Zno基本结构 闪锌矿结构；纤锌矿结构；NaCl 结构；CsCl结构 ZnO晶体结构会随着环境条件的改变而改变。 在常温下ZnO的稳定相是纤锌矿结构
ZN0的性质
宽禁带半导体参数比较
材料 禁带宽度（eV ） 晶格类型 晶格常数（A ） 熔点（K ） 热导率（Wcm-6K-1 ） CET(10-6K-1 ) Zno 3.37 纤锌矿 a=3.250 c=5.205 2250 0.6 a=6.5 c=3.0 GaN 3.39 纤锌矿 a=3.189 c=5.185 2770 1.3 a=5.6 c=7.7 4H-SiC 3.26 纤锌矿 a=3.073 c=10.053 2070 3.0~3.8 3.5~5.0 6H-SiC 3.03 纤锌矿 a=3.018 c=15.117 2070 3.0~3.8 3.5~5.0
半导体材料的基本特性


电阻率 能带 原先在不同孤立原子中但具有 相同能级的许多电子形成晶体 时，由于量子效应，不能有两 个电子处于相同的状态，它们 的能量必定彼此错开，各自处 在一个能量略有差异的一组子 能级上，形成能带。 禁带宽度 根据电子的能量分布，在某些 能量范围内是不许有电子存在 的称之为禁带，半导体的禁带 宽度是一个决定电学和光学性 能的重要参数。