概況:ZnO(氧化鋅)是壹種新型的化合物半導體材料II-VI，具有寬禁帶(E =3.37eV)。常溫常壓下是非常典型的直接寬帶半導體材料，穩定相為六方纖鋅礦結構，其禁帶寬度對應紫外波長，有望開發藍綠光、藍光、紫外光等發光器件。
氧化鋅具有大的帶隙和激子結合能，高的透明性，以及優異的室溫發光性能，在半導體領域已經應用於液晶顯示器、薄膜晶體管、發光二極管等產品。此外，微粒子氧化鋅作為壹種納米材料，已經開始在相關領域發揮作用。
晶體數據:
針根直徑(？m) 0.1~10
比熱(焦耳/克·克)5.52
耐熱性(℃)
1720(升華)
真實密度(克/立方厘米)5.8
表觀密度(g/cm3) 0.01 ~ 0.5
粉末電阻率(ω·cm)104 ~ 109
介電常數(實部)4.5 ~ 30
介電常數(虛部)20 ~ 135
抗拉強度(MPa) 1.2×104
彈性模量(MPa)為3.5× 105。
熱膨脹系數(%/℃) 4× 106
氧化鋅半導體材料電子顯微鏡下的氧化鋅空間結構
制備方法:鋅礦石煆燒或鋅條在空氣中燃燒得到純氧化鋅。氧化鋅晶體為六方晶系，晶格常數α=3.25×10-10m，c=5.20×10-10m。氧化鋅晶體或多晶體中很少有導電載流子在室溫下滿足化學計量關系，它們具有絕緣體的性能。在空氣中高溫處理後，由於氧的過剩或不足，會變成偏離化學計量關系的不完全晶體，即含有氧空位或氧隙的鋅的非化學計量晶體，會大大增加自由電子或空穴的數量，氧化鋅會從白色絕緣體變成青色半導體。當在氧化鋅中加入適量的其它氧化物或鹽，如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2作為添加劑時，可以按照壹般的陶瓷工藝成型燒結制成氧化鋅半導體陶瓷。
理論模型:六方纖鋅礦結構是壹種對稱C6v-4的理想氧化鋅，屬於P63mc空間群，其特征常數為c = O.521 nm，Y=120，a = B a=b=O.325 nm，α=β= 90。。其中，理想C/A比的六方柱緊密堆積結構的1.633略小於1.602。氧ZnO在其他方向的鍵長為O.197 nm，只有C軸方向為0.199 nm，其晶胞由鋅的六方密堆積和氧的六方密堆積形成。本文中所有的和太陽模型都是基於超晶胞的。我們可以看到氧化鋅中的配體是壹個三角錐，錐頂原子和中心原子的鍵長略大於錐面上三個原子的鍵長，其邊長小於底邊。所以ZnO四面體在晶體中是02- 1配位多面體，O2-和Zn的配位基本壹致。
計算結果:利用實驗晶格參數計算了理想ZnO晶體的電子結構。包括總態密度、能帶結構、分波態密度。圖3、4和5顯示了計算結果。其他理論方法的計算結果與本文的計算結果壹致。我們從圖3、圖4、圖5可以看出，基本上ZnO的價帶可以分為兩個區域，即-4.0 ~ 0 EV的上價帶和6.0 ~ 14.0 EV的下價帶。顯然，ZnO的下價帶區主要由Zn3d態貢獻，而上價帶區主要由02p態形成。18 eV處02s態貢獻的價帶與其他兩個價帶相比相對較弱，本文不做討論。對於主要由幹Zn4s態貢獻的導帶部分，有壹個明顯的從Zn4s態到02p態的躍遷過程，氧位的局域態密度重心受到影響向低能級移動，說明理想的ZnO是壹種價鍵較弱、離子性較強的混合鍵金屬氧化物半導體材料。
組成:這種半導電瓷由半導電氧化鋅晶粒和壹層添加劑組成的晶界層組成，其理想結構模型如圖所示。由於每個氧化鋅晶粒與晶界層之間可以形成壹個接觸區，具有壹般半導體接觸的單邊導電性，所以兩個晶粒之間有兩個位置相反的整流結，壹個氧化鋅半導體陶瓷芯片就是大量方向相反放置的整流結組的堆砌。
圖6:氧化鋅半導體陶瓷的空間結構
氧化鋅半導體瓷的伏安特性:當電壓施加在這種材料上時，在低電壓下，由於反向偏置整流結的阻斷作用，材料處於高阻狀態，具有絕緣性能。當電壓達到壹定值時，整流結擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導電材料，可以通過相當密度的電流。
圖7:氧化鋅半導體陶瓷的伏安特性
作用:氧化鋅半導體瓷的非線性伏安關系。這種對稱的非線性伏安特性可以用來制作各種限壓器、能量吸收器件等。如電力系統中的過電壓保護裝置。特別是由於這類材料在低電壓下電阻率高，在長期工作電壓下泄漏電流小，發熱小，可以制成無火花隙的高壓避雷器。而高電壓下的低電阻和小殘壓可以將過電壓限制在較低水平，可能會降低電網和電氣設備的絕緣水平，尤其是在超高壓電網中，這壹點更為重要。
擴展:稀磁半導體(DMS)。
稀磁半導體(DMS)是用3d過渡金屬或4f稀土金屬的磁性離子取代化合物半導體如ⅱ2ⅵ、ⅵ、ⅱ2ⅵ或ⅲ2ⅵ中的某些非磁性陽離子而形成的壹種新型半導體材料。它也可以被稱為半磁性半導體(SMSC)材料或半導體自旋電子材料。因為比普通磁性材料含有更少的磁性元素，所以被稱為稀磁半導體。由於陽離子取代，這類材料具有局域磁性順磁性離子和強的局域自旋磁矩。局域順磁性離子與遷移載流子(電子或空穴)之間的自旋-2自旋相互作用產生了新的交換相互作用，使得稀磁半導體具有許多完全不同於普通半導體的特殊性質，如磁性、顯著的磁光效應和磁輸運性質。稀磁半導體可以利用電子的電荷特性和自旋特性，即具有半導體材料和磁性材料的雙重特性。它將半導體的信息處理與磁性材料的信息存儲功能、半導體材料的優點和磁性材料的不揮發性結合在壹起。這種材料的研制成功將是材料領域的革命性進步。同時，稀磁半導體在磁性物理和半導體物理之間架起了壹座橋梁。
ZnO作為壹種寬帶隙半導體，具有激子結合能高(60meV)、溫度穩定性好、透光率高、化學性質穩定、原料豐富易得、價格低廉等優點，且過渡金屬離子易於摻雜制備性能良好的稀磁半導體，因此成為目前稀磁半導體材料的研究熱點。
國內研究及原理:近年來國內很多研究者對1i摻雜Zn()材料進行了研究，因為它可能同時具有鐵電性和鐵磁性。南京大學宋海安制備Ni，I * * *摻雜ZnO薄膜，發現Li摻雜引入空穴，使鐵磁性減弱。北京航空航天大學的李建軍等人制備了摻雜I Co***的ZnO納米粒子。發現當摻雜濃度小於9時，系統的鐵磁性會增強。原因是摻雜後形成間隙原子，電子濃度明顯增加，使得束縛磁極化子濃度增加，磁極化子容易重疊，最終導致鐵磁耦合增強。武漢大學鄒春華教授制備了摻雜Mn和Li的ZnO薄膜，並對不同Mn摻雜濃度的ZnO樣品進行了研究。然而，在這些研究中，摻雜Li和Mn***的ZnO陶瓷的磁性並不常見。
應用現狀及前景展望
(1)改變組成以獲得所需的光譜效果。
通過改變磁性離子的濃度，可以獲得所需的帶隙，從而獲得相應的光譜效果。由於其響應波長可以覆蓋從紫外到遠紅外的較寬波長範圍，這種DMS是制備光電器件、光電探測器和磁光器件的理想材料。在ⅲ2ⅴ族寬禁帶稀磁半導體GaN中摻雜不同的稀土磁性元素，可以發射從可見光到紅外光的不同波長的光，而GaN本身可以發射紫外光，所以稀土摻雜的GaN材料可以發射從紫外到紅外波段的光，如Er摻雜的GaN可以發射綠光，Pr摻雜的GaN可以發射紅光。
1994 Wilson等人[24]首次在摻鉺GaN薄膜中觀察到1.54。
微米紅外熒光。在1998中，Steckl等人通過原位Er摻雜的方法首次獲得綠光發射[25]。摻鉺GaN的另壹個重要特性是弱的溫度猝滅效應，這對於制備室溫發光器件非常重要。後來紅藍器件研制成功，可用作光通信和光電集成的光源。
(2)2)sp2d交換功能的應用
DMS的巨大法拉第旋轉效應可用於制備非互易光學器件，以及光學調諧器、光學開關和傳感器件。
DMS的磁光效應為光電子技術開辟了新的途徑。利用磁性離子與攔截體自旋交換產生的巨G因子效應(sp2d效應)，可以制備壹系列具有特殊性質的稀磁半導體超晶格和量子阱器件。這種量子阱和超晶格不僅具有普通量子阱和超晶格的電學和光學性質，而且具有稀磁半導體的磁效應，因此該器件具有許多潛在的應用價值。利用磁性和半導體可以實現自旋的註入和輸運，可以制作新的自旋電子器件，如自旋濾波器、基於自旋電子的發光二極管等。
(3)深入研究自旋電子學，促進DMS的實際應用。
自旋電子學是目前固體物理學和電子學的熱點，其核心內容是利用和控制固體特別是半導體中的自旋自由度。近年來，以稀磁半導體為代表的自旋電子學的研究相當活躍，各國科研機構和各大公司都在這壹領域投入了巨大的財力和人力。具有磁性或自旋相關特性的基於DMS的材料可以用來制造壹種新型的設備——利用電子和空穴的電荷及其自旋。這些新材料和人造納米結構，包括異質結構(HS)、量子阱(QW)和粒子結構，壹直是壹些新功能的沃土——自旋相關的輸運、磁阻效應和磁光效應。自旋電子學可用於計算機硬盤，在計算機存儲器方面有很大潛力。DMS材料在高密度非易失性存儲器、磁傳感器和半導體電路的集成電路、光隔離器件和半導體激光器的集成電路、量子計算機等方面有著巨大的潛在應用。然而，上述基於稀磁半導體的自旋電子學器件的發展還處於起步階段，距離實用化還有很長的路要走。對自旋電子學和自旋電子學器件的深入研究將深化DMS機制的研究和理論探索，推動DMS的實用化進程。
(4)室溫DMS的研究。
為了應用的方便，有必要發展高居裏溫度(Tc)(高於室溫)的DMS材料。室溫下的磁性為磁性半導體的應用提供了可能。拓展更多的摻雜磁性元素或生長更多種類的材料來提高DMS材料的居裏溫度是目前的首要問題。最近，Hori等人成功地在GaN中摻入了5%的Mn，獲得了室溫以上的Tc。據報道(Zn，Co)O的居裏溫度可達290 ~ 380 K [26]。Dietl等人[6]用Zener模型計算了具有閃鋅礦結構的磁性半導體，結果表明GaMnN和ZnMnO具有高達室溫的居裏溫度，計算結果為實驗研究提供了良好的理論基礎。但是，如何將磁性和半導體性質有機地結合起來，仍然是壹個值得深入研究的問題。