Eg en los semiconductores permite el salto de electrones desde la banda de energía más baja, banda de valencia, hasta la banda superior, banda de c...

Eg en los semiconductores permite el salto de electrones desde la banda de energía más baja, banda de valencia, hasta la banda superior, banda de conducción, por cantidades razonables de energía térmica u óptica. A temperaturas más altas, algunos electrones de la banda de valencia pueden adquirir la suficiente energía térmica para saltar a través de la brecha prohibida con el fin de convertirse en electrones de conducción en la banda de conducción que inicialmente estaba vacía. Los estados vacíos que quedan en la banda de valencia contribuyen a la conductividad del material comportándose como huecos positivamente cargados [2, 7]. Para el caso particular del ZnO, la estructura de banda electrónica ha sido estudiada por diversos métodos, energía total: Hartree-Fock, combinación lineal de orbitales atómicos (LCAO), interacción libre de pseudopotenciales corregidos, y como también Rössler que utilizando el método de las funciones de Green [36, 39] se intentó obtener modelos que permitan describir los resultados experimentales sobre la estructura de bandas del ZnO, y aun hasta la actualidad no se ha logrado un consenso, aunque se sabe que el máximo de la banda de valencia y el mínimo de la banda de conducción se encuentran en el mismo punto Γ de la zona de Brillouin, por lo que se deduce que es un semiconductor de banda directa (Figura 3.19). Del mismo modo el valor de la banda prohibida del ZnO, presenta un desacuerdo aunque se han reportado diferentes valores [1, 7, 37] que han sido obtenidos por diferentes métodos experimentales como teóricos se ha encontrado que su valor también puede verse modificado debido a factores como tamaño de partícula, [2, 9, 17, 26, 35], temperatura de síntesis [38], dopaje, etc., pero el valor más aceptado para el ZnO masivo resulta ser Eg=3.37 eV a temperatura ambiente y de 3.44 eV a bajas temperaturas. Siendo este un oxido de amplio ancho de banda, dándole la propiedad de ser transparente en la región visible por lo que se le han encontrado múltiples aplicaciones en dispositivos ópticos y optoelectrónicas. Figura 3.19. Estructura de las bandas del ZnO cerca del punto Γ de la zona de Brillouin calculada mediante el uso de un Pseudopotencial estándar (PP) (panel izquierdo) y mediante el uso de self interaction corrected Pseudopotencial (SIC-PP) (panel derecho) [7]. El ZnO presenta una energía de enlace del excitón libre de 60 meV, esta gran energía de enlace del excitón indica que la emisión excitónica eficiente en ZnO puede persistir en temperatura ambiente y más arriba, puesto que la fuerza del oscilador de excitónes es típicamente mucho más grande que de transiciones directas del electrón – hueco en semiconductores de gap directa, la gran energía de enlace de excitón hace al ZnO un material prometedor para dispositivos ópticos que se basan en efectos excitónicos [7]. 3.3.3 Propiedades Ópticas del ZnO 3.3.3.1 Absorbancia de ZnO El ZnO es un semiconductor que puede absorber un fotón cuando un electrón se promueve directamente a la banda de valencia dentro de la banda de conducción, tal suceso pertenece a la absorción intrínseca, proceso en el que se crea el par electrón-hueco, la absorción intrínseca del semiconductor la cual ya hemos tratado con anterioridad nos permite concluir que, para el ZnO la interacción del electrón con el campo de radiación solo son posibles la transiciones para las cuales el vector de onda del electrón se conserva, estas transiciones son las transiciones directas o verticales lo que nos permite concluir que el ZnO presenta una absorción intrínseca de la luz en transiciones directas. En la relación del tamaño de las partículas con la absorbancia del ZnO el borde de absorción es muy agudo para un nanocristal de ZnO y es determinado por la naturaleza de la transmisión electrónica entre la banda de valencia y la banda de conducción, en contraste, el borde de absorbancia para las suspensiones de partículas cuánticas, se ha encontrado que para ser mucho más amplio es determinado por la distribución de tamaño de partícula, en el borde de la absorbancia, solamente las partículas más grandes contribuyen a la misma; con una longitud de onda que disminuye, las partículas más pequeñas contribuyen cada vez al máximo de la absorbancia, el tamaño promedio de la partícula se puede determinar de la longitud de onda en el punto de inflexión [1, 7, 37, 40]. 3.3.3.2 Luminiscencia de ZnO EL ZnO es un material luminiscente, normalmente el espectro de fotoluminiscencia a temperatura ambiente muestra un pico en la región UV, justo debajo del inicio de la absorción, y uno o más picos en el espectro visible, por lo general, la banda UV es asignada debido a la radiación de aniquilación de excitónes con una vida útil muy corta (decenas-cientos de picosegundos). La fotoluminiscencia visible es comúnmente verde, aunque otros picos de emisión tales como rojo y amarillo, también se han reportado en el rango de 450 a 730 nm, en contraste con la emisión del excitón, la vida de la emisión visible es mucho más larga en el rango μs, esto se atribuye a la presencia de defectos, no estequiométrico y las imperfecciones del cristal, la mayoría de los defectos mencionados en ZnO son intersticial Zn (Zni), vacantes de oxigeno (Vo), vacantes de Zn (VZn), anti-sitios Zn (OZn), etc. Que detallaremos adelante; Los defectos Vo y Zni contribuyen los estados donantes como poco profundos, y son considerados estados de niveles aceptantes profundos en la banda prohibida, sin embargo, aunque el origen exacto de la emisión visible no es aun bien conocido, controversiales hipótesis han sido propuestas para explicar las diferentes emisiones, la banda de emisión verde se considera como la característica fundamental del ZnO [1, 7, 40]. 3.3.4 Defectos Intrínsecos del ZnO Un defecto estructural se describe como la distorsión de la periodicidad de las posiciones atómicas (o iónicas) dentro de un cristal. De acuerdo a su extensión espacial, pueden ser puntuales, lineales o superficiales y tienen importantes efectos en las propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y químicas de los materiales.[1, 7, 41, 42] Los defectos intrínsecos del ZnO tanto masivo como nanoestructurado se vienen investigando bastante tiempo tanto en el marco teórico como en el experimental, de los cuales los más importantes se tienen, vacancias de zinc, VZn y de oxígeno, Vo, átomos intersticiales , Zni y Oi y átomos antisitio, Zno y OZn. La Vo, Zni y Zno, que están asociadas con la deficiencia de oxigeno (o exceso de zinc), son consideradas defectos donadores, mientras que la VZn, Oi y OZn, son defectos de tipo aceptor asociados con el exceso de oxigeno