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从氧化锌基础到应用
发布时间:2014-03-17 09:09 发布人:admin 点击:
 
        能带结构描叙了带电的单粒子状态(即电子或空穴)。由于氧化锌是一种直接带隙半导体,即有球形极值点,能带中价带极大值和导带极小值(VB和CB)在布里渊区中的相同点,即在K = 0的Г点,我们主要对此区域感兴趣。如上所述,最低的导带是由Zn2+空的4s态或反键的sp3杂化态构成的。群理论的兼容性表以及其中参考资料)告诉我们,导带底有不考虑自旋的Г1对称性和考虑自旋的Г1×Г7=Г7对称性。有效电子质量(更准确地说极化子)几乎各向同性,其值大约为(0.28 ± 0.02)m0。
        源于O2-被占据的2p轨道或束缚SP3杂化轨道的价带若不计自旋,在六方晶体场的影响下被分裂成Г5和Г1两种状态。考虑自旋后,由于自旋轨道的耦合,能带进一步分裂成三个两阶退化的对称的亚价带,(Г1+Г5)×Г7=Г7+Г9+Г7。这些价带在所有的纤锌矿结构的半导体(如ZnS, CdS, CdSe, or GaN)中从高能量到低能量被标为A,B,C能带。在绝大多数情况下,能带排序为AГ9, BГ7,C7,而且自旋轨道分裂比晶体场分裂更大。然而,对于ZNO有长期的争论,是否价带的顺序是通常的,还是所谓“负自旋轨道耦合”的AГ7, BГ9, CГ7顺序,或倒置的价带顺序。
        事实上,自旋轨道耦合总是正的。但由于氧的核电荷数小,从六角和立方IIb结构的硫化物,硒化物,碲化物的数据可以外推到氧化物大约为15meV,。这个能级(氧的2P)与满占据态的锌4D能级之间的排斥可能容易使一个Г7-能级高于Г9态,导致一个倒置的价带顺序[5],在Ib-VII族半导体CuCl中也有这种现象。由于A和B价带的分裂只有5毫电子伏的数量级,而且选择规则基本一样(两个上面的AГ9和BГ7价带到Г7导带的转变是偶极子,而自旋翻转(spinflip)只能允许是E C,从价带CГ7只能是E C),关于A和B价带对称性的讨论是小题大做。但是这些类型的问题往往倾向于有一个非常长的讨论时间。最近在文献中提出的各种详细的支持ZnO中正常的价带顺序的讨论未被证实。我们在附录A中总结了一些支持和反对倒置价带顺序的争论和文献,以及能带结构计算的文献。因此,我们使用下面的倒置顺序AГ7,BГ9,CГ7。
        氧化锌中有效空穴质量是各向相同的,A,B,和C价带类似的特征值如下
一些能带结构计算(见附录A)预测价带有很强的质量各向异性,正如他们了解的如CdS,但是文献中收录的实验数据看来没有确定ZnO有这样的各向异性。
Г7对称的能带也许有一个小的k-线性项,但在图7显示的A价带只有k⊥c。对于导带这个效应是可以忽略的。