Γιατί το οξείδιο του ψευδαργύρου είναι ημιαγωγός;
1. Ηλεκτρονική δομή:
* Διάκενο ευρείας ζώνης: Το ZNO έχει ένα σχετικά ευρύ χάσμα ζώνης περίπου 3,37 eV σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας.
* Υψηλή ενέργεια δέσμευσης exciton: Το ZnO έχει υψηλή ενέργεια δέσμευσης exciton (60 MeV), πράγμα που σημαίνει ότι τα excitons (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) είναι σταθερά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό ενισχύει τις δυνατότητές του για οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές.
2. Αγκυιεύσεις:
* Εγγενής ημιαγωγός: Στην καθαρή του μορφή, ο ZnO παρουσιάζει χαμηλή αγωγιμότητα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ζώνη σθένους είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια και η ζώνη αγωγιμότητας είναι κενή.
* Doping: Η αγωγιμότητα του ZnO μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με το doping με ακαθαρσίες. Για παράδειγμα, η προσθήκη μιας μικρής ποσότητας αλουμινίου (AL) στο ZnO δημιουργεί αγωγιμότητα τύπου Ν, προσθέτοντας μια μικρή ποσότητα αζώτου (Ν) δημιουργεί αγωγιμότητα τύπου Ρ.
3. Ιδιότητες που συμβάλλουν στη ημιαγωγικότητα:
* Άμεσο κενό ζώνης: Το ZnO διαθέτει άμεσο κενό ζώνης, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταβαίνουν απευθείας μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας χωρίς να απαιτούν αλλαγή στην ορμή. Αυτό το καθιστά εξαιρετικά αποτελεσματικό για την εκπομπή και την απορρόφηση φωτός.
* υψηλή διαφάνεια: Το ZnO είναι διαφανές στο ορατό φως λόγω του ευρέος χάσματος της ζώνης, καθιστώντας το κατάλληλο για διάφορες οπτοηλεκτρονικές συσκευές.
* Χημική σταθερότητα: Το ZNO είναι χημικά σταθερό στον αέρα και στο νερό, ενισχύοντας την καταλληλότητά του για μακροπρόθεσμες εφαρμογές.
4. Εφαρμογές:
Οι ημιαγωγικές ιδιότητες του ZnO οδήγησαν στη χρήση του σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως:
* Διαφανή αγώγιμα ηλεκτρόδια: Το ZnO χρησιμοποιείται σε ηλιακά κύτταρα, οθόνες αφής και οθόνες επίπεδου πλαισίου ως διαφανής αγωγός.
* LED και λέιζερ: Το άμεσο χάσμα της ζώνης το καθιστά κατάλληλο για LED και λέιζερ που εκπέμπουν UV φως.
* Αισθητήρες: Το ZNO χρησιμοποιείται σε αισθητήρες αερίου, αισθητήρες υπεριώδους ακτινοβολίας και βιοαισθητήρες λόγω της ευαισθησίας του σε διάφορα χημικά και περιβάλλοντα.
* Φωτοκαταλύση: Το ZnO είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για τη φωτοκαταλύση, όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σπάσει τους ρύπους και να δημιουργήσει καθαρή ενέργεια.
Συνοπτικά: Το ευρύ κενό της ζώνης του ZnO, η υψηλή ενέργεια δέσμευσης exciton, το άμεσο χάσμα της ζώνης και η συντονισμένη αγωγιμότητα μέσω του ντόπινγκ καθιστούν ένα πολύτιμο υλικό ημιαγωγών με πολυάριθμες εφαρμογές σε διάφορους τομείς.
