氧化鋅晶體的偏振拉曼散射研究

劉武

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

0 引言

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

微拉曼光譜法具有無損傷、無接觸、空間分辨率高（1 μm）等優點，是一種快速、實時檢測材料結構和微結構及聲子與其它激發元之間相互作用的有效工具。利用它可以了解晶體質量、內部的缺陷及晶格畸變等情況。

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

1 實驗

實驗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，對樣品的實驗測量面進行了拋光處理。

采用Renishaw Invia Reflex激光共聚焦顯微拉曼光譜儀對樣品的拉曼強度進行測量。實驗采用背向散射方式采集數據，532 nm半導體激光光源，選擇100×倍物鏡，光斑直徑≤1 μm。

2 晶體結構與簡正振動模式分析和幾何配置

ZnO在Γ點晶格光學振動模對稱性分類結果［6］為Γopt=Γ1+Γ5+2Γ6=A1+E1+2E2。由圖 1可知 E2光學模中氧原子（鋅原子）之間的相對運動，而鋅原子（氧原子）不參與振動，因此不會導致電偶極矩的產生，所以E2是非極性光學模；A1平行于晶軸（C軸）的振動，極化方向是沿著C軸，E1垂直于晶軸（C軸）的振動，極化方向在垂直于C軸的平面內。而A1和E1光學振動模中存在氧原子和鋅原子的相對運動，因此會導致電偶極矩的產生，所以A1和E1光學模是極性光學模。在極性振動模下，由于晶胞中正負原子中心不重合而會產生極化電場。該極化電場會提高縱波（LO）的恢復力，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的光學聲子振動模式

為了準確識別背向散射下，ZnO晶體內的拉曼活性振動模式，采用6種不同散射幾何配置分別紀錄拉曼振動光譜，然后相互對比分析以求得較完整的實驗結果。實驗所用幾何配置和通過偏振選擇定則計算可能出現的拉曼頻移如表1所示。

表1 不同散射配置下的拉曼光譜

3 結果與討論

實驗所獲得的ZnO晶體的拉曼散射光譜，除了在拉曼頻移上略無差別之外，其振動數目和散射強度存在著差異。這與通過偏振選擇定則計算出現拉曼頻移基本一致。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，當入射光的偏振方向沿著X軸時，都沒有出現和兩種模式。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，即不可能出現縱波（A1（LO）和 E1（LO）)，這與實驗結果完全相符。兩個E2振動模都是非極性模，低頻Elow2模式與金屬Zn原子的振動有關，模式只與O原子的振動有關［7］。

4 結論

利用偏振選擇定則計算了單晶ZnO在6種不同配置下出現的拉曼光譜。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，實驗獲得了單晶ZnO在各種配置下的各種振動類的偏振拉曼散射光譜。為后期觀察指定模式提供依據。實驗確定了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異質結UV增強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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［7］ 孔晉芳.氧化鋅基半導體材料的拉曼光譜研究［D］.上海：上海交通大學，2009.