2.1　氧化锌的结构和基本性质

ZnO 是ⅡB-ⅥA族化合物半导体材料，它有三种稳定的晶体结构。第一种是在常温条件下的六角纤锌矿结构。第二种是在高温条件下才能稳定的立方闪锌矿结构，这种结构的晶格能量较高。第三种是在高压条件下（8～12GPa）稳定的岩盐矿结构。如图2.1所示。

自然条件下 ZnO 呈现六角纤锌矿结构，该结构是三种晶体结构中最稳定的。ZnO纤锌矿结构中，Zn和O原子紧密堆积，该结构空间群属于mc空间群。ZnO 的纤锌矿结构的晶格参数为a=0.32498nm，c=0.52066nm（标准卡片 JCPDS 36-1461）。如图2-1（c）所示，ZnO的纤锌矿结构可以用 Zn 原子构成的四面体和 O 原子所构成的四面体互相套构而成来描述。每一个Zn原子位于由O原子构成的四面体的间隙中，同理每一个O原子也位于由Zn原子构成的四面体的间隙中。这种套构的结构使得ZnO具有非对称性结构。介于Zn原子与O原子之间是一种处于离子键和共价键之间的键，这使得ZnO沿c轴方向具有很强的极性。即 Zn 原子面和O原子面沿［001］方向密排列而成，ZnO中有Zn的极性面（0001）和O的极性面（0001）。因此这种不对称的晶体结构导致ZnO具有独特的热电特性和压电特性。ZnO 理论上c∶a的值为1.633，而实际中c∶a的比值约为1.603，这个值比理论值略小，这是由于实际生长的ZnO中存在锌空位和氧空位。

当压强增大至9GPa时，ZnO晶格结构转变，形成岩盐矿结构，近邻原子数变为6，相应体积也会缩小17%，如图2-1（a）所示。而图2-1（b）中所示的立方闪锌矿结构则与金刚石结构类似。O原子构成的面心立方，其晶格沿［111］方向移动，距离为0.25倍晶胞对角线长度，与Zn原子构成的面心立方晶格套构形成闪锌矿结构。ZnO 闪锌矿结构近邻原子数是4个，并且沿［111］方向具有极性。

ZnO为两性氧化物，溶于酸性与碱性溶液，不溶于水和乙醇，存放在潮湿空气中，易吸收空气中的二氧化碳生成碱式碳酸锌，也能被氮或者一氧化碳还原为金属锌。它常温下为白色粉末，由不定形或针状小颗粒组成，高温下呈黄色，冷却后又恢复白色，这是因为温度升高后极化作用加强，荷移跃迁容易发生所致；或者是高温下电子在基态和激发态之间的能量差减小，容易受到入射光的激发所致。氧化锌无毒、无味，熔点高达 1975℃，密度为 5.606g/cm³（无定形的密度为 5.42g/cm³）。ZnO的其它物理性质如表2-1所示。

ZnO 是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度为 3.37eV，室温下自由激子束缚能是 60meV，远高于室温的热离化能，它的禁带宽度对应光谱中的紫外波段，是理想的紫外光电器件材料。ZnO 的带隙结构如图2-2所示，它的导带和价带分别由 O 原子的 2p 轨道和 Zn 原子的 4s 轨道构成。