1.1　ZnO的结构与性质

1.1.1　ZnO的晶体结构

ZnO是一种直接带隙的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族N型半导体。它主要有三种单晶结构：六角纤锌矿、立方闪锌矿和立方盐结构。

立方闪锌矿结构的ZnO一般只能在立方结构的衬底上才能稳定地存在，而立方盐结构的ZnO只会在高压下（＞1OMPa）才会出现。而六角纤锌矿结构的ZnO在普通环境下热稳定性最好，所以也是最常见的一种ZnO结构［10］。在常温常压下，六角纤锌矿结构属于六方晶系，空间群为（P63mc），点群为6mm。在这种结构中，Zn原子和O原子都是按照密堆积的方式排列：每个Zn原子周围有4个近邻的O原子并与之形成sp3键并被O原子所形成的四面体所包围，并占据约四面体体积的一半大小，同时，O原子也有着与Zn原子相同的排列方式。按照这种排列方式，Zn原子层和O原子层交互堆积起就形成了整个晶体。其中，Zn原子和O原子的堆积方向都是［001］方向，每个原子层也是一个［001］面方向。但是由于ZnO具有离子性，所以通常将从O晶面指向Zn晶面定义成［001］方向，从Zn晶面指向O晶面的为［001］方向［11］。由于［001］面在平衡状态下是具有光滑性，所以在ZnO薄膜的生长形成过程中，一般是具有极为明显的［001］面择优生长的特性，也就是c轴择优取向［12］。纤锌矿结构的ZnO的晶格常数为：a=3.2475～3.2496，c=5.2042～5.2075　；c/a=1.5930～1.6035（接近1.633的理想密堆结构），c轴方向的Zn原子和O原子间距为0.1992nm，除此之外方向的间距为0.1973nm［13］。

因为ZnO中的Zn和O原子之间的化学键处于离子键和共价键之间，c轴方向所形成的Zn-O键具有较强的极性。而键的特性也决定了ZnO的一些特殊性质［14］。

1.1.2　ZnO的能带结构

简化情况下的纤锌矿ZnO的能带结构导带具有Γ7对称性，而价带却分裂成三个子价带：Γ7、Γ9和Γ7［17］。而根据空穴的有效质量可以分析得知，越靠近价带的空穴有效质量越大，所以为了区分可以将这三个价带所对应激子的发射分别定义为：Γ7（A），导带底到重空穴的跃迁；Γ9（B），导带到轻空穴的跃迁；Γ7（C），导带到配位场分裂带的跃迁。因为在半导体中，存在着从导带与价带之间的载流子跃迁行为，而这些行为常常伴随着光子的吸收或者发射。所以半导体的能带结构决定着其光吸收和发射性能，对器件有着极大影响［18］。

1.1.3　ZnO的电学性质

由于氧空位和锌间隙的存在，本征ZnO是一种N型半导体，不过本征ZnO的导电性质较弱。作为第三代半导体，ZnO有着优异的电学性能，能够在高功率高温器件上有着光明的应用前景。未掺杂的ZnO半导体的载流子浓度一般在1016cm-3数量级，而其电子迁移率在Monte Carl。模拟计算方法下能够达到300cm2/Vs［19］。然而在实际制备情况下，由于不同的制备方法对ZnO的电学性质会造成较大的影响，所以一般其电子迁移率相差情况也很大。目前所知的最高电子迁移率已经达到440cm2/Vs，这是由Ohtom等人利用PLD技术所获得的未掺杂的ZnO薄膜。然而绝大多数的ZnO薄膜电子迁移率仍然是停留在100cm2/Vs以下［20］。所以，一般ZnO都会通过掺杂来提高薄膜的电子迁移率以及载流子浓度。对ZnO的电学性能的表征主要包括霍尔效应、四探针电阻率测试、电流电压曲线测试、电容电压曲线测试。而在本实验中主要用到的方法是霍尔效应来表征薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率。

1.1.4　ZnO的光学性质

半导体的光学性质与其禁带宽度也有着密不可分的联系。ZnO在室温下禁带宽度为3.37eV，对应紫外波段，这就使得其在短波长的光电器件应用上极具前景，特别是在蓝绿发光二极管和激光二极管的应用上被寄予厚望。

ZnO所具备的最重要的两个光学特性一个是受激发射和光致发光。如前面所提到的，其激子束缚能高达60meV［21］。早在1966年，ZnO的低温受激辐射已经被发现。但是这一现象会随着温度升高到室温的时候几乎完全消失，所以并未引起当时研究学者的充分重视。19世纪末20世纪初，越来越多的研究都在室温下观测到不同制备方法获得的ZnO材料中ZnO的紫外激光发射，其受激发射的特性逐渐引起了人们的极大兴趣［22，23］。

此外，人们对ZnO的光致发光特性也做了大量研究。研究表明，室温下ZnO薄膜的发光波段包括紫外波段和可见光波段。而对于发光机理，一般认为可见光波段主要是由ZnO中存在的锌间隙或者氧空位等形成的发光复合中心所导致的，而紫外波段则是有自由激子的复合产生光子所获得［24-26］。

在本文中，因为我们所研究的ZnO薄膜主要功能是作为透明导电薄膜，并将所制备的导电薄膜用于太阳能电池，所以主要研究的光学性质包括其透过率以及禁带宽度。所用到的光学性质表征方法主要是UV-VIS。