H in ZnO

Wasser­stoff kann atomar oder moleku­lar im Zinkoxid auf Zwis­chen­git­ter­plätzen vor­liegen. Die atom­aren Wasser­stoff­spezies wirken als schwache Elektronen-​Donoren, wodurch eine leichte (oft unbe­ab­sichtigte) p–Dotierung des Zinkox­ids erfolgt. Ein tief­eres Ver­ständ­nis solcher Wasser­stoffde­fekte im Zinkoxid auf atom­aren Niveau erlaubt z.B. eine effizien­tere Nutzung des ZnO als Dio­den­ma­te­r­ial im Bere­ich der Opto-​Elektronik.

Die ver­schiedenene Defekte im Zinkoxid, an denen Wasser­stoff beteiligt ist, lassen sich exper­i­mentell mit­tels Infrarot-​Spektroskopie unter­schei­den. Beson­ders hil­fre­ich sind hier­bei die Sig­nale der Streckschwingun­gen der O-​H-​Bindungen (OH-​Banden), die eine starke IR-​Intensität aufweisen. Daher sind sie auch bei gerin­gen Konzen­tra­tio­nen gut messbar.

Wir führten ab ini­tio Rech­nun­gen im Rah­men der Dichtefunktional-​Theorie an einge­bet­ten Clus­tern durch, um Wasser­stoff­spezies im Bulk zu unter­suchen. Dabei konzen­tri­eren wir uns vor allem auf die Berech­nung von Schwingungsspek­tren. Diese simulierten Spek­tren erlauben dann die Inter­pre­ta­tion exper­i­menteller Daten, wodurch dann die vor­liegen­den Defekte iden­ti­fiziert wer­den können.

Wir berech­neten Schwingungsspek­tren für ver­schiedene atom­are und molekure Wasser­stoff­spezies und unter­suchten auch Wasser­stof­fkom­plexe an sub­sti­tu­tionellen Fremdatomen wie Cu in Zinkpo­si­tion (CuZn) und an Zink­fehlstellen (VZn).

Eine aus­führliche Diskus­sion unserer Ergeb­nisse ist in unserem in PCCP pub­lizierter Artikel und in meinet Dis­ser­ta­tion zu finden:

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© Jörg Koßmann