劉武

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅材料具有優(yōu)異光電性質(zhì)，有望成為下一代性能優(yōu)良的紫外光電材料，同時(shí)在壓電［1-2］、氣敏［3］、壓敏［4］方面有廣泛的應(yīng)用前景。對于ZnO材料的特性研究是實(shí)現(xiàn)眾多ZnO基光電器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過在材料中適量摻雜可以改變ZnO材料的導(dǎo)電電子密度［5］。摻雜物的不同對ZnO微結(jié)構(gòu)的影響不同，但對于它們是如何影響ZnO結(jié)構(gòu)及其微結(jié)構(gòu)的，還沒有一個(gè)清楚的認(rèn)識。因此研究和探索ZnO材料的特性仍是當(dāng)前熱門課題之一。

微拉曼光譜法具有無損傷、無接觸、空間分辨率高（1 μm）等優(yōu)點(diǎn)，是一種快速、實(shí)時(shí)檢測材料結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)及聲子與其它激發(fā)元之間相互作用的有效工具。利用它可以了解晶體質(zhì)量、內(nèi)部的缺陷及晶格畸變等情況。

人們對ZnO的晶格振動(dòng)分析和拉曼頻移的指認(rèn)、方向色散實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。本文在利用因子群對ZnO單晶的正則振動(dòng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了6種散射幾何配置，并利用拉曼選擇定則計(jì)算了可能出現(xiàn)的拉曼頻率。在室溫下分別測量了ZnO單晶的這6種振動(dòng)模式下的偏振拉曼散射光譜。與原先的文獻(xiàn)相比較，初步討論了A面氧化鋅在背向散射配置下各振動(dòng)模式是否會出現(xiàn)，并指認(rèn)了ZnO單晶中各類拉曼振動(dòng)模式和振動(dòng)屬性。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的氧化鋅單晶材料通過水熱法生長，切割出A面（10）氧化鋅樣品，對樣品的實(shí)驗(yàn)測量面進(jìn)行了拋光處理。

采用Renishaw Invia Reflex激光共聚焦顯微拉曼光譜儀對樣品的拉曼強(qiáng)度進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)采用背向散射方式采集數(shù)據(jù)，532 nm半導(dǎo)體激光光源，選擇100×倍物鏡，光斑直徑≤1 μm。

2 晶體結(jié)構(gòu)與簡正振動(dòng)模式分析和幾何配置

ZnO在Γ點(diǎn)晶格光學(xué)振動(dòng)模對稱性分類結(jié)果［6］為Γopt=Γ1+Γ5+2Γ6=A1+E1+2E2。由圖 1可知 E2光學(xué)模中氧原子（鋅原子）之間的相對運(yùn)動(dòng)，而鋅原子（氧原子）不參與振動(dòng)，因此不會導(dǎo)致電偶極矩的產(chǎn)生，所以E2是非極性光學(xué)模；A1平行于晶軸（C軸）的振動(dòng)，極化方向是沿著C軸，E1垂直于晶軸（C軸）的振動(dòng)，極化方向在垂直于C軸的平面內(nèi)。而A1和E1光學(xué)振動(dòng)模中存在氧原子和鋅原子的相對運(yùn)動(dòng)，因此會導(dǎo)致電偶極矩的產(chǎn)生，所以A1和E1光學(xué)模是極性光學(xué)模。在極性振動(dòng)模下，由于晶胞中正負(fù)原子中心不重合而會產(chǎn)生極化電場。該極化電場會提高縱波（LO）的恢復(fù)力，從而使縱波（LO）的頻率增加；而對于橫波（TO）來說，電場方向與波矢垂直，不會提高橫波的恢復(fù)力。故縱波的頻率 ω（LO）比橫波的頻率 ω（TO）高，極性模A1和 E1也就因此分別分裂為 A1（LO）、A1（TO）和 E1（LO）、E1（TO）。

圖1 ZnO的光學(xué)聲子振動(dòng)模式

為了準(zhǔn)確識別背向散射下，ZnO晶體內(nèi)的拉曼活性振動(dòng)模式，采用6種不同散射幾何配置分別紀(jì)錄拉曼振動(dòng)光譜，然后相互對比分析以求得較完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所用幾何配置和通過偏振選擇定則計(jì)算可能出現(xiàn)的拉曼頻移如表1所示。

表1 不同散射配置下的拉曼光譜

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)所獲得的ZnO晶體的拉曼散射光譜，除了在拉曼頻移上略無差別之外，其振動(dòng)數(shù)目和散射強(qiáng)度存在著差異。這與通過偏振選擇定則計(jì)算出現(xiàn)拉曼頻移基本一致。不同配置下氧化鋅單晶的拉曼光譜圖如圖2所示。

圖2 不同配置下氧化鋅單晶的拉曼光譜圖

由圖2中的曲線②、③、⑥可知，當(dāng)入射光的偏振方向沿著X軸時(shí)，都沒有出現(xiàn)和兩種模式。在平行偏振下的圖2中曲線⑤、⑥觀察不到A1（TO），由于所采用的樣品為A面ZnO，入射光的方向不可能沿著C軸，即不可能出現(xiàn)縱波（A1（LO）和 E1（LO）)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。兩個(gè)E2振動(dòng)模都是非極性模，低頻Elow2模式與金屬Zn原子的振動(dòng)有關(guān)，模式只與O原子的振動(dòng)有關(guān)［7］。

4 結(jié)論

利用偏振選擇定則計(jì)算了單晶ZnO在6種不同配置下出現(xiàn)的拉曼光譜。分析了ZnO晶體中極性和非極性的拉曼頻移。在直角散射配置下，實(shí)驗(yàn)獲得了單晶ZnO在各種配置下的各種振動(dòng)類的偏振拉曼散射光譜。為后期觀察指定模式提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)確定了A面單晶ZnO在背向散射下不可能觀察到 A1（LO）和 E1（LO）。

［1］ 王麗玉，謝家純，林碧霞，等.n-ZnO/p-Si異質(zhì)結(jié)UV增強(qiáng)型光電探測器的研究［J］.電子元件與材料，2004，23（1）：42-44.

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