急求资料！！关于氧化锌的半导体材料！！

半导体材料：氧化锌半导瓷 化学式：ZnO 基本概况：ZnO(氧化锌)是一种新型的化合物半导体材料Ⅱ一Ⅵ宽禁带(E =3．37eV)。在常温常压下其是一种非常典型的直接宽禁半导体材料，稳定相是六方纤锌矿结构，其禁带宽度所对应紫外光波长，有希望能够开发出蓝绿光、蓝光、紫外光等等多种发光器件。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。 晶体数据：针状体根部直径 (µm) 0.1～10 比热 (J/g·k) 5.52 耐热性能 (℃) 1720(升华） 真实密度 (g/cm3) 5.8 表观密度 (g/cm3) 0.01～0.5 粉体电阻率 (Ω·cm) 104～109 介电常数 (实部) 4.5～30 介电常数 (虚部) 20～135 拉伸强度 (MPa) 1.2×104 d性模量 (MPa) 3.5×105 热膨胀率 (％/℃) 4×106 氧化锌空间结构 电镜下的氧化锌半导体材料 制备方法：纯氧化锌是煅烧锌矿石或在空气中燃烧锌条而得。氧化锌结晶是六角晶系，晶格常数α=3.25×10-10m，c=5.20×10-10m。室温下满足化学计量比关系的氧化锌晶体或多晶体中导电载流子极少，具有绝缘体的性能。在空气中经高温处理后，将会因氧的过剩或不足而成为偏离化学计量比关系的不完整晶体，即含有氧缺位或氧填隙锌的非化学计量比结晶，使自由电子或空穴大大增多，氧化锌由白色绝缘体变成青黑色半导体。当在氧化锌中加入适量的其他氧化物或盐类,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作为添加剂，按一般的陶瓷工艺成型烧结，可以制得氧化锌半导瓷。理论模型:六方纤锌矿结构是理想的氧化锌，对称性C6v-4、属于P63mc空间群，品格常数C=O．521 nm，Y=120 ，a=b=O．325 nm，α=β= 90。。其中c／a较理想的六角柱紧堆积结构的1．633稍小为1．602。其它方向的氧ZnO键长为O．197 nm，只有c轴方向为0．199 nm，其晶胞由锌的六角密堆积与氧的六角密堆积反向套够而成。本文所有的及孙模型都是以超晶胞为基础的模型。我们可以看出，在氧化锌中的配位体是一个三角锥，锥顶原子和中心原子的键长与锥面三个原子的键长相比要稍大，其棱长小于底面边长。所以，ZnO 四面体为晶体中02-一配位多面体，O2-与Zn 配位情况基本相同。 计算结果：利用实验晶格参数对理想的ZnO晶体的电子结构进行了计算。其中包括总体态密度，能带结构，分波态密度。图3，图4，图5为计算结果。用其他理论方法计算的结果与本文计算结果相符合。我们可以从图3，图4，图5中看出，基本上，ZnO的价带可分为两个区域，分别是-4．0～0 eV的上价带区以及一6．0～L4．0 eV的下价带。很显然，ZnO下价带区则主要是Zn3d态贡献的，而上价带区则主要是由02p态形成的。在一18 eV处由02s态贡献的价带部分，与其他两个价带由于之间的相互作用相对较弱，本文不做相关讨论。对于主要来源干Zn4s态贡献的导带部分，从Zn4s态到02p态电子具有明显的跃迁过程，氧位置处的局域态密度的引力中心受到影响向低能级方向移动，这就表明了，理想ZnO是一个共价键较弱，离子性较强的混合键金属氧化物半导体材料。组成：这种半导瓷由半导电的氧化锌晶粒及添加剂成分构成的晶粒间层所组成，其理想结构模型如图。由于每一个氧化锌晶粒和晶粒间层之间都能形成一个接触区，具有一般半导体接触的单向导电性，所以两个晶粒间存在两个相反位置的整流结，一块氧化锌半导瓷片是大量相反放置的整流结组的堆积。 图6：氧化锌半导瓷空间结构氧化锌半导瓷的伏安特性：当外加电压于这种材料时，低电压下，由于反偏整流结的阻挡作用，材料呈高阻状态，具有绝缘性能。当电压高达一定值时，整流结发生击穿，材料电阻率迅速下降，成为导电材料，可以通过相当大密度的电流。图7：氧化锌半导体瓷的伏安特性 作用：氧化锌半导瓷的非线性电压电流关系。利用这种对称的非线性伏安特性可以制成各种电压限幅器、能量吸收装置等，如电力系统的过电压保护装置，特别是由于这类材料低电压下的电阻率高，因而在长期工作电压下漏电流小、发热小，可以做成不带火花间隙的高压避雷器；而高电压下电阻低、残压小，能把过电压限制在更低的水平上，使电网和电工设备的绝缘水平有可能降低，特别是在超高压电网，这一点更为重要。拓展：稀磁半导体材料（Diluted magnetic semiconductors，DMS）稀释磁性半导体简称稀磁半导体(Diluted Magneticsemi Conductors,DMS),是利用3d族过渡金属或4f族稀土金属的磁性离子替代Ⅱ2Ⅵ族、Ⅳ2Ⅵ族、Ⅱ2Ⅴ族或Ⅲ2Ⅴ族等化合物半导体中的部分非磁性阳离子而形成的新型半导体材料,又可称为半磁半导体(Semi Magnetic Semi Conductors,SMSC)材料或半导体自旋电子材料。之所以称为稀磁半导体是由于相对于普通的磁性材料,其磁性元素的含量较少。这类材料由于阳离子替代而存在局域磁性顺磁离子,具有很强的局域自旋磁矩。局域顺磁离子与迁移载流子(电子或空穴)之间的自旋2自旋相互作用结果产生一种新的交换相互作用,使得稀磁半导体具有很多与普通半导体截然不同的特殊性质,如磁性、显著的磁光效应和磁输运性质。稀磁半导体能利用电子的电荷特性和自旋特性,即兼具半导体材料和磁性材料的双重特性。它将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能、半导体材料的优点和磁性材料的非易失性两者融合在一起,这种材料研制成功将是材料领域的革命性进展。同时,稀磁半导体在磁性物理学和半导体物理学之间架起了一道桥梁。ZnO作为一种宽带隙半导体,激子束缚能较高(60meV),具有温度稳定性好、光透过率高、化学性能稳定,原料丰富易得、价格低廉等优点,并且过渡金属离子易于掺杂,可制备性能良好的稀磁半导体,因而成为目前稀磁半导体材料的研究热点。 国内研究以及原理：近年来，由于1i掺杂的Zn()材料可能同时具有铁电性和铁磁性，国内很多研究者都对它进行了研究。南京大学的宋海岸等制备了Ni、I』i共掺的ZnO薄膜，发现由于Li掺杂引入了空穴，使铁磁性减弱 ]。北京航空航天大学的李建军等制备了I Co共掺的ZnO纳米颗粒，实验发现，当掺杂浓度少于9 时体系的铁磁性会增强，其原因是掺入后形成了填隙原子，电子浓度明显增加，使得束缚磁极子浓度增加，且磁极子之间容易发生重叠，最终导致铁磁耦合作用增强。武汉大学的C W Zou等制备了Mn、Li共掺杂的ZnO薄膜，研究了不同Mn掺杂浓度的ZnO样品。但这些研究中对Li、Mn共掺杂ZnO陶瓷的磁性研究并不常见。 应用现状与前景展望(1)改变组分获得所需的光谱效应通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS是制备光电器件、光探测器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ2Ⅴ族宽带隙稀磁半导体GaN中掺入不同的稀土磁性元素可发出从可见光到红外的不同波长的光,加上GaN本身可发紫外光,因此掺稀土GaN材料可发出从紫外到红外波段的光,如在GaN中掺Er可发绿光,而掺Pr可发红光等。1994年Wilson等[24]在掺Er的GaN薄膜中首次观察到1.54μm的红外光荧光。1998年Steckl等采用Er原位掺杂方法首次获得绿光发射[25],掺Er的GaN的另一个重要特性是其温度猝灭效应很弱,这对于制备室温发光器件非常重要。后来红光和蓝光器件相继研制成功,这些都可以作为光通信和光电集成的光源。(2)sp2d交换作用的应用利用DMS的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件。DMS的磁光效应为光电子技术开辟了新的途径。利用其磁性离子和截流子自旋交换作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效应,可制备一系列具有特殊性质的稀磁半导体超晶格和量子阱器件。这种量子阱和超晶格不仅具有普通量子阱和超晶格的电学、光学性质,而且还具有稀磁半导体的磁效应,因此器件具有很多潜在的应用价值。利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等。(3)深入研究自旋电子学,推动DMS的实用化自旋电子学是目前固体物理和电子学中的一个热点,其核心内容是利用和控制固体,尤其是半导体中的自旋自由度。近年来以稀磁半导体为代表的自旋电子学的研究相当活跃,各国科研机构和各大公司都投入了巨大财力和人力从事此领域的研究。利用具有磁性或自旋相关性质的DMS基材料可制出一类新型器件———既利用电子、空穴的电荷也利用它们的自旋。这些新材料和人造纳米结构,包括异质结构(HS)、量子阱(QW)和颗粒结构一直是一些新型功能的“沃土”———与自旋相关的输运、磁阻效应和磁光效应。自旋电子学可用于计算机的硬驱动,在计算机存储器中极具潜力。在高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成电路、光隔离器件和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域,DMS材料均有重大的潜在应用。但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程。自旋电子学与自旋电子学器件研究的深入,将加深DMS机理的研究和理论的探索,推动DMS的实用化过程。(4)室温DMS的研究为了应用方便,需要开发高居里温度(Tc)的DMS材料(高于室温)。室温下具有磁性为磁性半导体的应用提供了可能。扩展更多的掺杂磁性元素或生长更多种类材料来提高DMS材料的居里温度是当前的首要问题。近来Hori等成功掺入5%Mn在GaN中,获得了高于室温的Tc报道表明(Zn,Co)O的居里温度可达到290～380K[26]。Dietl等[6]采用Zener模型对闪锌矿结构的磁半导体计算表明,GaMnN和ZnMnO具有高达室温的居里温度,该计算结果对实验研究提供了很好的理论依据。但是,如何将磁性和半导体属性有机地结合起来仍然是值得进一步研究的问题。

从磁学中诞生发展的新兴的学科——磁电子学，其诞生时间虽不长，但发展却十分迅速，已经在一些高新技术中初露锋芒，而且其发展前景也是十分广阔的。这门新兴的磁电子学是从一种磁效应——磁电阻效应，在新磁性材料和相关高新技术发展的新条件下发展到巨磁电阻效应时诞生的。在这一磁学发展事实的启发下，使我们不禁想到：如果另一种磁效应——磁光效应也能在新磁性材料和相关高新技术发展的新条件下发展到巨磁光效应，是否也会同样地诞生和发展磁光子学呢？当然这两方面的情况并不是完全相同的。例如，巨磁光效应仅初露端倪，远不及巨磁电阻效应；光子学的发展也远没有达到电子学发展的成熟程度。但是从未来的发展前景看，磁光子学还是很有希望像磁电子学那样发展起来的。因此，我们在这里先对目前的光子学及其与电子学的比较作介绍，再对磁光效应和巨磁光效应加以说明，然后对磁光子学的相关应用及未来的可能发展进行简单的介绍和推测。

什么是光子和光子学？它同电子学相比较有哪些相似之处？又有哪些不同之处？还有哪些特点和优点？

从科学发展史来看，光的波动学说和粒子学说都有其一定的实验根据，进一步的实验和理论表明，在一定的条件下，物质既具有波动性又具有粒子性。从广义上说，光子是一种传递电磁相互作用、静质量为零的粒子，是光线、光波的负载者。在激光和光物理学出现和发展后，“光子”一词才受到人们的重视和普遍应用，更常用在可见光及其相近的频段。光子学则是研究光子的产生、运动和转化，包括光子的放大、传导、控制、探测，光子与物质的相互作用，以及把光子的技术和规律应用于信息、能源和材料等的一门科学。

假如把光子学与电子学进行比较，就可以看出，两者既有相似之处，又有不同之处。就相似之点来说，例如，它们分别从电学和光学发展出来，电子技术和光子技术又在相同的领域（如通信等）中先后得到相似的应用。就不同之处说，电子具有静质量和电荷，而光子的静质量和电荷都为零，因而光子的抗干扰性好，也不受电磁干扰，传输速度快，不像电子受电阻电容的时间常数限制，光子器件比电子器件的使用频率高、频带宽度宽、容纳信息量大、开关时间短。例如，光通信容量就远远超过电通信，磁光碟的信息密度也高于一般磁盘的信息密度。这些与电子学的不同之处，其中许多都既是光子学的特点，也是光子学的优点。

那么，同磁电子学相比较，磁光子学又是如何呢？

磁电子学是在巨磁电阻效应的基础上发展起来的，而作为磁光子学发展基础的巨磁光效应的情况又如何呢？现在就用已初步观测到的巨磁光效应的法拉第磁光旋转效应和克尔磁光效应来加以介绍。法拉第磁光旋转效应是指线偏振光通过透光（透明）的物质时，如果对这物质加上与光传送方向相平行的外磁场，则线偏振光的偏振方向将产生旋转。旋转角度的大小与磁场的强度和透光物质的磁光性质有关。光的线偏振是指光的电矢量的振动方向不变的现象。克尔磁光旋转效应常称克尔磁光效应，是指线偏振光照射到不透光的物质时，如果对这物质加上外磁场，则其反射光的偏振方向将产生旋转。旋转角度的方向和大小与外加磁场的方向和强度及反射物质的磁光性质有关。这两种磁光效应都已在正投光学中得到应用，如光调制器和光隔离器等。但是在一般磁光材料中，这两种磁光效应都较小，法拉第旋转效应的单位长度旋转角都小于1度/微米，克尔效应的旋转角都小于1度。但是在20世纪90年代以后，观测到少数磁光材料具有更高的磁光效应，例如磁光碟。这里把“光碟”和“磁盘”更加区分开，也是目前相关科技界的看法。

目前各种光碟机已得到多方面应用，其所使用的光记录存储材料的种类是很多的，一般说来，大多数光记录存储材料各有其特点和适用范围。例如，只读式光碟一般都使用光刻胶，因其可以大量而经济地复制；只写一次式光碟则可使用多种光学材料，如铜（Cu）、金（Au）、铬（Cr）、锑（Sb）、铋（Bi）、铟（In）、铑（Rh）等金属薄膜，碲化砷（AsTe）非晶薄膜，有机染料薄膜和银加聚合物的复合薄膜等；可擦式光碟使用的只有磁光材料和非晶半导体两类光学材料。下面仅重点介绍具有可擦式功能的磁光材料。

为了理解可擦式光碟对磁光材料的磁光性能要求，先简要说明磁光碟的录入（写）光信息和重放（读）光信息的原理。这里以录入和重放数字信息“1”和“0”为例。在录入数字信息时，加上极细的强激光束，使写入点局部温度升高，矫顽（磁）力降低，同时由磁光头在写入点加上与所写入数字信息相应方向的较强的写入磁场，使写入点的磁化强度方向转到写入磁场方向。在写入磁场消失或离开写入点后，写入点处的温度降低，矫顽力升高，这样就在写入点处留下所写下的数字信息，即保留与写入数字信息相应的磁化强度方向。如果人们要读出所录下的数字信息，就需要加上使读出激光束变为线偏振光的起偏器和检测从读出点反射或透过（一般采用反射）的线偏振光的检偏器。读出信息时所需要的激光功率低，由线偏振光束在读出点处所引起的磁光效应的变化便可由检偏器辨别出读出点处的磁化强度方向，也就可辨别出读出点处的数字信息是“1”或“0”。

从上述的磁光碟录入和读出磁信息的过程可以看出，为了在写入时使其在不大的温度变化范围内有大的矫顽力变化，就需要采用低居里温度或低磁抵消温度的磁光材料。这是因为在居里温度，铁磁性将转变为弱磁的顺磁性，矫顽力将下降到零；在低磁抵消温度附近，矫顽力会有剧烈的变化，这样都可以在较低的外加磁场下发生磁化强度的转变方向，完成数字信息的写入。为了在读出时得到较高的灵敏度，需要采用高磁光效应的磁光材料。从这两方面的要求看，低居里温度的磁光材料有稀土—过渡金属合金，如Tb—Fe、Tb—Dy—Fe、Gd—Tb—Fe等，其居里温度为70℃～160℃，及铁族合金，如Mn—Ri、Mn—Bi—Cu等，其居里温度为200℃～360℃。低磁抵消温度的磁光材料则有Gd—Co和其他稀土—过渡金属合金，其磁抵消温度为70℃～100℃。这些磁光材料的克尔磁光旋转角均为0.2～0.7度，属于一般磁光效应材料。如果采用新的巨磁光效应材料，可以预料由这种磁光材料制成的磁光碟的性能将会得到显著的改善。

光速不变原理

光速不变原理，是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299792458米/秒。

该所是以应用研究为主的技术科学综合性研究机构。在50年代，主要从事钢铁冶炼与合金钢等传统冶金的研究。60年代初，开始转向新材料的研究，先后开辟了超纯金属、半导体材料与器件、半导体集成电路、磁性与超导材料、敏感材料与器件、金属腐蚀与防护、离子束技术及其应用等研究领域。目前该所的3个主要科研领域为：

微电子学：现有3－5μm集成电路工艺线，已开发成功CMOS500－2000门阵列电路、机床数显电路，DF－300照相机等数十个专用电路并正在建设2μm工艺线。

功能材料与器件：以半导体材料与器件、磁性磁光材料与器件、敏感材料与器件、超导及特种金属材料与器件等为重点。加强功能材料研究，发展新型器件并相应发展离子束、薄膜生长、微细加工和盘片制造等4项关键技术。

金属腐蚀与防护：主要从事高温腐蚀、电化学腐蚀与保护、应力腐蚀、金属涂层表面处理及防护、耐蚀合金等的研究与开发。

结合以上3个领域，该所还开展材料物理及物理化学方面的基础研究。

目前该所对外能提供下列产品及技术服务：设计、解剖、制造各种专用集成电路、光电子器件和其他微电子产品。高性能永磁材料（Nd-Fe-B、Al-Ni-Co）、 光电、磁光等器件用的特种单晶（InP、GaAs、LiNbO3、LiTaO3）；温度、压力及生物工程用传感器；大屏幕现示屏；不锈钢机油冷却器及风冷铝合金散热器；设计制造精密议器装备，承接大型腐蚀防护工程；计算机软件开发等。

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