ZnOの基本的性質

ZnOは電子セラミック材料として、様々な分野に応用されている物質である。
結晶構造は六方晶系(ウルツ鉱型)、空間群はP6₃mc、格子定数はa=3.249Å、b=3.249Å、c=5.207Åで、c軸方向に極性を持つため圧電性を持っている。
室温で3.3eVの広いバンドギャップを持ち、紫外領域の発光が期待されている。
Zn²⁺が過剰になりやすく、格子間Zn²⁺またはO^2-の空孔によりn型半導体となる。

ZnO単結晶作製(Single Crystal of zinc oxide)

ZnOの融点は約2000℃であり、さらに融点に達すると昇華してしまう性質があるため、単純に加熱融解させて単結晶を作るのは難しい。そこでZnOとPbF₂の混合物が共融点を持つことを利用し、再結晶法にてZnOの単結晶を作成する。用いる試料の量や加熱・冷却の時間を調節することで、大きく厚い単結晶の生成を目指す。

図1. ZnOとPbF₂の相図
左図はZnOとPbF₂のおおよその相図である。
例えば、モル比でZnO:PbF₂=2:8の割合で混合すると、1100℃程度に加熱してから1〜10℃/hで冷却することでZnOの単結晶が再結晶により生成する。

ZnOへのドーピング効果

ZnOはドーピングにより比抵抗が大きく変化し、Al³⁺ドープでは10^-4[Ω・cm]、Li⁺ドープでは10¹⁰[Ω・cm]と実に10¹⁴[Ω・cm]もの変化を示す。
Znを一部Liで置換したものは強誘電体特性を示すことが知られているが、メカニズムはまだはっきりとは分かっていない。
粉末状のZnOとLi₂CO₃を混合し、焼成することでZnOのZnがLiで置換され、Zn_1-xLi_xOが生成する。このxの値はZnOとLi₂CO₃の混合の割合で決めることができる。
当研究室ではxの値を変化させながらZn_1-xLi_xOを作製し、Zn_1-xLi_xOの誘電特性を測定していく。