Preparação e caracterização óptica de óxido de zinco

Abstract

O óxido de zinco, tal como outros materiais semicondutores de elevado hiato óptico, tem uma importância primordial, dada a sua potencial aplicação em dispositivos optoelectrónicos que operem na região espectral azul e ultravioleta. O ZnO possui uma estrutura cristalina hexagonal (wurtzite) com uma energia de hiato óptico de 3.3 eV (região UV), à temperatura ambiente. Neste trabalho foram sinterizadas e analisadas amostras policristalinas de ZnO por meio de técnicas de caracterização estrutural e óptica. A microestrutura, em particular o tamanho de grão, foi analisada recorrendo ao microscópio electrónico de varrimento, tendo a sua quantificação sido feita por técnicas de estereologia com análise quantitativa de imagem. As propriedades ópticas foram analisadas por espectroscopia em estado estacionário e em estado transiente e por medidas de decaimento. Usando excitação banda a banda, observou-se a emissão excitónica e emissões devidas a defeitos que introduzem níveis profundos na banda de energias proibidas (bandas largas). Por outro lado, quando as amostras foram excitadas com uma energia inferior ao hiato óptico, observou-se uma emissão associada à contaminação com ferro. Um particular destaque foi dado à análise das bandas largas não estruturadas, cuja interpretação física não é consensual.

In exactly the same manner as other semiconductor materials of wide band gap, zinc oxide plays an extremely important role due to its potential application in optoelectronic devices used in the blue and ultraviolet region of the spectrum. ZnO has a hexagonal crystalline structure (wurtzite) and a band gap energy of 3.3 eV (UV region) at room temperature. In this study, polycrystalline samples were sintered and analysed using structural and optical characterization techniques. Microstructure, with particular emphasis on grain size, was analysed with a scanning electron microscope. Quantification was carried out by applying stereology techniques with quantitative image analysis. Optical properties were analysed by spectroscopy in stationary and transient regime and also through lifetime measurements. Using excitation above the band gap, observations were made on excitonic emission and on emissions caused by defects which introduce deep levels in the gap (broad emission bands). Furthermore, when the samples were excited below the band gap, an emission associated with the presence of iron contamination was observed. Special attention was paid to the analysis of non- structured broad emission bands, the interpretation of which is not consensual.