英语原文共 3 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
多晶纤锌矿Zn1-xMgxO(0le;xle;0.15)的同步辐射X射线研究：晶体结构和极化的演化
Young-Il Kim, Katharine Page, and Ram Seshadri
Young Il Kim，Katharine Page，B和RAM SeaDaCric现工作于加利福尼亚大学材料系，Santa Barbara现工作于材料研究实验室。
(2006年11月16日收到课题；于2007年1月29日接受课题；出版于2007年3月6日)
本文通过对多晶Zn1-xMgxO(0le;xle;0.15)的同步辐射X射线衍射研究提出了Mg在纤锌矿ZnO晶体中的替换影响的课题。Mg浓度的增加导致六方晶格的明显的C轴压缩，并且减少了每个四氧化二锌单元内阳离子偏离中心的位移。从ZnO到Zn0.85 Mg0.15O，可以观察到显著的离子极化变化：在minus;5.6 到 minus;4.8mu;C/cm^2的范围内，细胞体积和AB面积尺寸只有细微的增加，增量分别为0.03%、0.1%。(2007美国物理研究所)
从氧化锌的基本观点和应用观点来看，ZnO是一种独特的有前途的材料，其功能来源于半导体、压电、热电、光致发光和光催化特性。在许多方面，ZnO被认为是能与GaN和SiC相比较的发光器件中的活性组分。从带隙工程的观点看，发射可见光谱中的三种基础颜色的检测结果甚至优于GaN和SiC。同样有趣的是ZnO与Zn1-xMgxO的异质结都能用于极化掺杂场效应晶体管POLFET。纤锌矿ZnO适合于波尔菲茨，在II-VI或III-V族半导体中最大的自发极化是已知的。用Ga1-xAlxN LaAlSiS6制备GaN基偏振器，也表明了ZnO基极化铁氧体的前景，Zn1-xMgxO近似完美的给出了晶格匹配和偏振梯度的简单控制。
尽管已经做了大量的工作在zn1minus;xmgxo薄膜、纳米粉体、多晶体和单晶体结构的演变中，包括氧原子的位置等方面的问题，这些问题到目前为止已经被阐明。鉴于此，我们提出了高通量/高能同步辐射X射线衍射，来研究完全平衡的多晶Zn1-xMgxO固溶体。结果表明，由于Mg的取代，用点电荷模型计算晶体中的静态极化，发现可以逐渐发生平行于内部四面体畸变。
Zn1-xMgxO 的多晶样品在x的值分别为0、0.05、0.10、0.15、0.20时采用草酸盐共沉淀法制备。醋酸锌和Mg的水溶液混合在H2C2O4溶液中的比例为：Zn^ 2 : Mg^ 2 : C2O4^minus;2=1minus;x:x:1.05时沉淀成草酸锌镁。用去离子水洗涤沉淀物在60℃下干燥4小时，在550℃的空气中加热24小时，转化成Zn1-xMgxO。X射线粉末衍射XRPD测量菲利普斯时辐射为45 kV/mA，结果证实了Zn1- xMgxC2O4·2H2O的相形成和 Zn1-xMgxO的相形成。然而，在x＝0.20的 Zn0.80Mg0.20O样品中，由于243的MgO的衍射，在243°处观察到微弱的杂质峰。在较早的报告中，MgO在ZnO中的热力学溶解度为4mol%，但是我们不能从Xle;0.15的样品中检测到MgO相的偏析。Zn1-xMgxO粉末在KBR小球中的傅立叶变换红外FTIR光谱表明，NKOLET MAGNA 850没有碳酸盐物种。8个特征纤锌矿晶格振动在400～600 cm^-1范围内可以观察到宽的红外波段，在较小的Mg取代Zn后转变为较高的波数。扩散-紫外吸收光谱岛津UV-3600表明，随着Mg含量的增加，带隙能量从 3.24eV（x=0）到3.26eV（x=0.05），3.30eV（x=0.10）再到 3.35 eV （x=0.15）。这些值可以与薄膜上的数值进行比较: 3.36eV（x=0）、3.63eV（x=0.14）和 3.87 eV（x=0.33）。众所周知，具有非常不同的光学性质的ZnO样品在结构上是不可区分的，因此这里应该讨论结构，而不应该考虑光学性质的细节。用Rietveld分析Zn1-xMgxO的晶体结构，先进的束线11-ID-B在同步辐射收集的传输模式下XRPD模式的精细化阿贡国家实验室光子源。用程序FIT2D（通用电气公司的非晶硅探测器）来处理图像至相应的一维XRPD模式。
对Zn1-xMgxO 在x＝0、0.05、0.10和0.15时进行了详细的结构分析，通过里菲尔德精细化，将Zn／Mg在2b （1/3、2/3、0）和O在2b（1/3、2/3、u）时，Ze/Mg对P63MC结构的细化在 2theta;=1.5°–22.2°（dgt;0.355 Aring;）之间的变化。图1显示了ZnO和Zn0.85 Mg0.15O的数据，以及Rietveld的细化曲线。Mg的取代并没有引起四配位离子半径Zn^ 2 （0.60 Aring;）和 Mg^ 2 （0.57 Aring;）的衍射图样的显著变化。由于不可忽略的相关效应，Zn和Mg在Zn1-xMgxO中的占有量只能用固定的因子来细化，以获得Zn0.9501Mg0.0501O、Zn0.8991Mg0.1011O和Zn0.8501Mg0.1501O。在所有四个样品中，最终得到的RieVeld RWP值为4%。
图1：RieTeld改进ZnO和B Zn0.85 Mg0.15O的同步加速器＝0.136times;48times;XRPD的图形。观测到的交叉和计算的实线数据是重叠的，差分模式和预期的峰值位置在底部示出，垂直点线在2theta;＝10.16°上标记0.770 Aring;的间距，对应于Cu K1辐射的2theta;＝180°。
图2：结构参数取决于X在Zn1-xMgxO中的晶格常数、Bu和C/A比，以及C键的长度和角度。其中M代表Zn和Mg，它们不属于晶体学。在每个面板中，填充的和开放的圆圈都与左、右轴相关联。
表1 锌和镁在不同的配比情况下不同参数变化
从细化的结构参数表I和图2中，观察到Mg替代导致A轴的伸长和C轴的收缩。总的结果是更明显的纤锌矿畸变，（Zn，Mg）O4四面体沿C轴均匀挤压。虽然母体ZnO已经基本上扭曲，如由C/A比为1.6021时理想的偏离值为1.633，六方晶格在Mg取代时进一步变形。众所周知，从现有的纤锌矿结构中，当键合特性变得更为离子时，C/A之比进一步从理想值移动。纤锌矿结构中另一个重要的变形来自c轴阳离子位移，它是由阴离子位置参数u偏离理想值0.375来测量的。当U＝A^2/(3C^2) 0.25时，四个最接近的阳离子阴离子对是等距的，而如果每个分离的ZnO4单元中的阳离子和阴离子电荷的中心与U＝0.375一致，则不管C/A比如何，在Fig.绘制 ，Zn1-xMgxO固溶体中的U参数随着x的增加而接近0.375，这反过来导致更规则的原子间距离和角度。由于只有几个已知的纤锌矿结构的原子参数，很难找到一个经常出现的C/A比中的U或结合特性。然而，可以定性地说，U倾向于以这样的方式变化，即四个四面体距离保持尽可能恒定。ZnO的强烈四面体畸变通过MgO的合金化得到部分缓解。在ZnO中阳离子从u= 0.375位移0.041 Aring;，在Zn0.85 Mg0.15O中这种位移减少到0.036 Aring;。
图3：实验纤锌矿结构U和C/A参数的比较ZN1～XMgxO相由箭头方向的开平方x＝0、0.05、0.10和0.15标记（文献数据Ro.26）填充圆。虚线对应于具有相等键长的结构，十字准线表示C/A＝1.633和U＝0.375的点。
我们用点电荷模型计算了沿001的静态极化PS。单独的参考结构PS = 0mu;C/CM^2被认为是ZnO和Zn0.85 Mg0.15O，与相应的实验A和C参数，但与U＝0.375选择在孤立的ZnO4四面体中，阳离子和阴离子电荷的中心重合。由于A和C变化不大，从ZnO到Zn0.85 Mg0.15O，这些参考结构是有效的、相同的。对于Zn0.85 Mg0.15O，PS为-5.6mu;C/cm2，对于Zn0.85 Mg0.15O为-4.8mu;C/cm2。为了比较密度泛函理论，DFT从头算研究来表明ZnS为-5C/C/CM2。为了比较密度泛函理论，DFT从头算研究表明，ZnO为-5 mu;c/c^2和-5.7 c/c^2，类似于上述离子电荷模型。然而，从我们发现的很少的相应实验报告中，唯一的实验值为7plusmn;2 mu;c/c^2。 GopAl和Spaldin研究了假设纤锌矿MgO结构的极化性质。在优化几何构型的情况下，得到的MgO纤锌矿比松弛ZnO结构（minus;17 vsminus;5 mu;C/cm^2）具有更大的PS，这与这里观察到的趋势不一致。在另一种情况下，Mg简单地取代Zn与其他纤锌矿石参数不变，他们预测晶体的PS将降低8%。后者的结果反映了Zn^ 2和Mg^ 2的不同的有效电荷，并且暗示如果考虑到Mg^ 2的较小的电子极化率，ZnO和Zn1-xMgxO之间的极化梯度将大于从简单的点电荷合成得到的值。最近，马拉舍维奇和VANDEBLIT在该系统中进行了结构和偏振的详细计算。实验结构和DFT理论的详细比较将在别处报道。
作者很感激能通过MRSEC程序与Nicola Spaldin进行讨论以及国家科学基金会的支持。其中一个作者K.P.已经通过IGET申请得到NIF支持并获得了研究生奖学金。在阿贡国家实验室和先进光子源的工作由DOE基础能源科学办公室支持，合同编号为W-31-109—EN - 38。作者感谢Peter Chupas和Karena Chapman对同步加速器数据采集的帮助。
参考目录
[1] U. Ozgur, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Dogan, V.
Avrutin, S.-J. Cho, and H. Morkoc, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005).
[2] S. J. Pearton, D. P. Norton, K. Ip, Y. W. Heo, and T. Steiner, J. Vac. Sci.
Technol. B 22, 932 （2004）; Prog. Mater. Sci. 50, 293 (2005）.
[3] D. C. Look, J. Electron. Mater. 35, 1299 （2006）; Mater. Sci. Eng., B 80,
383 （2001）.
[4] A. Ohtomo, M. Kawasaki, T. Koida, K. Masubuchi, H. Koinuma, Y.
Sakurai, Y. Yoshida, T. Yasuda, and Y. Segawa, Appl. Phys. Lett. 72, 2466
（1998）.
[5] T. Makino, Y. Segawa, M. Kawasaki, A. Ohtomo, R. Shiroki, K. Tamura,
T. Yasuda, and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett. 78, 1237 （2001）.
[6] S. Rajan, H. Xing, S. DenBaars, U. K. Mishra, and D. Jena, Appl. Phys.
Lett. 84, 1591 （2004）.
[7] A. Dal Corso, M. Posternak, R. Resta, and A. Baldereschi, Phys. Rev. B
50, 10715 （1994）.
[8] F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56, R10024
（1997）.
[9] X. Zhang, X. M. Li, T. L. Chen, C. Y. Zhang, and W. D. Yu, Appl. Phys.
Lett. 87, 092101 （2005）.
[10] W. I. Park, G.-C. Yi, and H. M. Jang, Appl. Phys. Lett. 79, 2022 （2001）.
[11] W. Q. Peng, S. C. Qu, G. W. Cong, and Z. G. Wang, Appl. Phys. Lett. 88,
101902 （2006）.
[12] C.-H. Ku, H.-H. Chiang, and J.-J. Wu, Chem. Phys. Lett. 404, 132 （2005）.
[13] M. S. Tomar, R. Melgarejo, P. S. Dobal, and R. S. Katiyar, J. Mater. Res.
16, 903 （2001）.
[14] B. Wang, M. J. Callahan, and L. O. Bouthillette, Cryst. Growth Des. 6,
1256 (2006).
[15] A. S. Risbud, N. A. Spaldin, Z. Q. Chen, S. Stemmer, and R. Seshadri,
Phys. Rev. B 68, 205202 (2003).
[16] L. Guo, Y. Ji, H. Xu, Z. Wu, and P. Simon, J. Mater. Chem. 13, 754
(2003).
[17] J. F. Sarver, F. L. Katnack, and F. A. Hummel, J. Electrochem. Soc. 106,
960 (1959).
[18] J
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[24538]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
