Οξείδιο του ψευδαργύρου

Το ZnO υπό μορφή σκόνης

Το οξείδιο του Ψευδαργύρου είναι χημική ένωση οξυγόνου (Ο) και ψεδαργύρου (Zn), εξ ου και οξείδιο, με μοριακό τύπο ZnO. Είναι σχεδόν αδιάλυτη στο νερό αλλά διαλυτή σε οξέα ή αλκάλια. Υφίσταται ως λευκή σκόνη, κοινώς γνωστή ως το "λευκό του ψευδαργύρου" σε λευκούς εξαγωνικούς κρυστάλλους. Παραμένει λευκή όταν εκτεθεί σε υδρόθειο όπως και στην υπεριώδη ακτινοβολία. Το κρυσταλλικό οξείδιο του ψευδαργύρου εμφανίζει το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και είναι θερμοχρωμικό (δηλαδή αλλάζει χρώμα από λευκό σε κίτρινο όταν θερμανθεί και επανακτά το λευκό, όταν επανέλθει στην αρχική θερμοκρασία). Το οξείδιο του ψευδαργύρου αποσυντίθεται σε ατμούς ψευδαργύρου και οξυγόνο στους 1975 °C περίπου. Το υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικό ZnO είναι σχεδόν διαφανές. Ατμοί οξειδίου του ψευδαργύρου παράγονται κατά την τήξη ορειχάλκου διότι το σημείο τήξης του ορειχάλκου είναι κοντά στο σημείο τήξης του ψευδαργύρου. Έκθεση του ανθρώπου σε οξείδιο του ψευδαργύρου αιωρούμενου στον αέρα όπως επίσης και κατά την διάρκεια συγκόλλησης μπορεί να προκαλέσει αρνητικές επιπτώσεις, προκαλώντας νευρική ασθένεια γνωστή ως "ασθένεια του μεταλλικού καπνού". Το οξείδιο του ψευδαργύρου απαντάται στην φύση ως το ορυκτό ψευδαργυρίτης (zincite).

Εφαρμογές

Το ZnO χρησιμοποιείται για την παρασκευή μπλέ LED και διαφανών TFT

Το οξείδιο του ψευδαργύρου σε μίξη με περίπου 0,5% οξείδιο του σιδήρου (Fe2O3) ονομάζεται καλαμίνα και χρησιμοποιείται στην λοσιόν καλαμίνας. Υπάρχουν επίσης και δύο ορυκτά, ο σμιθονίτης και ο ημιμορφίτης, τα οποία έχουν ιστορικά ονομαστεί "καλαμίνα".

Το υπεροξείδιο του ψευδαργύρου, ZnO2.½ H2O, είναι λευκή προς κίτρινη σκόνη η οποία χρησιμοποιείται στην παρασκευή αντισηπτικών αλοιφών.

Το λευκό του ψευδαργύρου χρησιμοποιείται ως χρωστική ουσία σε μπογιές και είναι πιο διαυγές από την λιθοφώνη, αλλά λιγότερο διάφανο από το διοξείδιο του τιτανίου. Χρησιμοποιείται επίσης ως επίστρωση χαρτιών. Το κινέζικο λευκό είναι μια ειδική βαθμίδα του ψευδαργύρου η οποία χρησιμοποιείται ως καλλιτεχνική χρωστική ουσία. Επειδή ανακλά και τις UVA αλλά και τις UVB ακτίνες της υπεριώδους ακτινοβολίας, το οξείδιο του ψευδαργύρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αλοιφές, κρέμες και λοσιόν, προστατεύοντας από το κάψιμο του ηλίου και άλλες ζημιές που προκαλούνται στο δέρμα από την υπεριώδη ακτινοβολία.

Το οξείδιο του ψευδαργύρου και το στεατικό οξύ αποτελούν σημαντικά συστατικά στην εμπορική βιομηχανία ελαστικών ειδών. Σωστή ανάμιξη αυτών των δύο συστατικών επιτρέπει γρηγορότερη και περισσότερο ελεγχόμενη σύνθεση ελαστικού. Το οξείδιο του ψευδαργύρου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και ως πληρωτικό σε ορισμένα μίγματα ελαστικών.

Το οξείδιο του ψευδαργύρου είναι ημιαγωγός με εύρος ενεργειακού διακένου (direct band gap) 3,37 eV (σε θερμοκρασία δωματίου πρόκειται για 368 nm, περιοχή του βαθέος ιώδους χρώματος, στα όρια της ακτινοβολίας UV). Κοινή εφαρμογή απαντά σε εφαρμογές αισθητήρων αερίων. Με στοιχεία του 2003, είναι γνωστό πως στα πλαίσια καινοτόμου έρευνας χρησιμοποιείται για την παρασκευή μπλε LED και διαφανών TFT.

Τα λεπτά υμένια τύπου-n μετά από προσθήκες (n-type doped films) χρησιμοποιούνται συχνά στην τεχνολογία των λεπτών υμενίων, όπου το οξείδιο του ψευδαργύρου εξυπηρετεί ως Διαφανές Οξείδιο Αγωγής (Transparent Conducting Oxide - TCO). Η προσθήκη τύπου-n καθίσταται δυνατή με εισαγωγή διάμεσων ατελειών υδρογόνου ή ψευδαργύρου. Οι ατέλειες οφειλόμενες στο οξυγόνο δεν θεωρείται πλέον πως συνεισφέρουν στην αγωγιμότητα τύπου-n διότι οι στάθμες αυτές εντοπίζονται πολύ βαθιά στο ενεργειακό διάκενο. Η προσθήκη τύπου-p είναι δύσκολη και αποτελεί ένα σύγχρονο πεδίο έρευνας. Ηλιακοί συλλέκτες λεπτών υμενίων, LCD και επίπεδες οθόνες αποτελούν τυπικές εφαρμογές αυτού του υλικού. Το οξείδιο του ψευδαργύρου είναι διαφανές και αγώγιμο με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η χρήση του ως διαφανές ηλεκτρόδιο. Το Indium tin oxide (ITO) αποτελεί άλλο ένα παράδειγμα διαφανούς αγώγιμου οξειδίου το οποίο χρησιμοποιείται συχνά στην μικροηλεκτρονική.

Τα νανοϋλικά βασισμένα στο ZnO αποτελούν πολλά υποσχόμενους υποψηφίους για την τεχνολογία της νανοηλεκτρονικής και των φωτονικών εφαρμογών. Συγκρινόμενο με άλλα ημιαγώγιμα υλικά, το ZnO παρουσιάζει υψηλότερη exciton binding energy (60 meV), είναι περισσότερο ανθεκτικό έναντι της ακτινοβολίας και πολυλειτουργικό (πιεζοηλεκτρικό, φερροηλεκτρικό και φερρομαγνητικό). Νανοσυρματίδια τοποθετημένα σε σωστή στοίχιση, μπορούν να αναπτυχθούν σε ποικίλα υποστρώματα με χρήση της μεθόδου MOCVD σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έχει επίσης παρατηρηθεί η επιλεκτική ανάπτυξη νανοσυρματιδίων ZnO σε υπόβαθρο προσχηματισμένου SOS (Silicon On r-Sapphire), τεχνική η οποία υπόσχεται την ανάπτυξη ημιαγωγών βασισμένων στο ZnO και συσκευών βασισμένων σε νανοσυρματίδια, επάνω σε υπόβαθρο ενός και μόνο τσιπ.

Το οξείδιο του ψευδαργύρου αναγνωρίζεται ως ελαφρύ αντιμικροβιακό, ιαματικό έναντι των πληγών και αντηλιακό.

Παράγοντας Πυροηλεκτρισμού

• Πρωτογενής Πυροηλεκτρικός Παράγοντας: -6.8 μC/m2·K
• Δευτερογενής Πυροηλεκτρικός Παράγοντας: -2.5 μC/m2·K
• Συνολικός Πυροηλεκτρικός Παράγοντας: -9.4 μC/m2·K

Μέθοδοι παρασκευής

Το οξείδιο του ψευδαργύρου παράγεται με οξείδωση μεταλλικού Ψευδαργύρου σε υψηλές θερμοκρασίες. Υφίστανται μεταξύ άλλων δύο κύριες μέθοδοι, η άμεση και η έμμεση. Κατά την άμεση μέθοδο, κοιτάσματα ψευδαργύρου ή συγκεντρώσεις εψημένων σουλφιδίων αναμιγνύονται με άνθρακα. Σε κατάλληλο φούρνο, ο ψευδάργυρος μεταπίπτει σε μεταλλικό ψευδάργυρο και ατμούς ψευδαργύρου. Οι ατμοί αντιδρούν με οξυγόνο προς παραγωγή ZnO:

$\mathrm {2\ ZnS_{(s)}+3\ O_{2(g)}\longrightarrow 2\ ZnO_{(s)}+2\ SO_{2(g)}}$

Κατά την έμμεση μέθοδο, μεταλλικός ψευδάργυρος ατμοποιείται σε κατάλληλα δοχεία. Οι ατμοί αντιδρούν με το οξυγόνο το οποίο βρίσκεται στον αέρα με αποτέλεσμα το σχηματισμό ZnO. Ως εκ τούτου λαμβάνεται Οξείδιο σε λεπτομερή καλοσχηματισμένη μορφή (Lana Philosophia):

$\mathrm {2\ Zn_{(s)}+O_{2(g)}\longrightarrow 2\ ZnO_{(s)}}$

Μπορεί επίσης να παρασκευαστεί ZnO μέσω πυρόλυσης του υδροξειδίου του Zn, ανθρακικού Zn ή νιτριδίου του Zn. Σε υψηλές θερμοκρασίες λοιπόν το υδροξείδιο του Zn δίνει ZnO και νερό:

$\mathrm {Zn(OH)_{2(s)}\longrightarrow ZnO_{(s)}+H_{2}O_{(l)}}$

Μέσω πυρόλυσης του ανθρακικού σε υψηλές θερμοκρασίες:

$\mathrm {ZnCO_{3(s)}\longrightarrow ZnO_{(s)}+CO_{2(g)}}$

Λεπτομερείς αποθέσεις ZnO μπορεί κανείς να λάβει επίσης με χρήση μεθόδων PVD, όπως το Sputtering και το CVD.

Μέθοδοι απόθεσης

• Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD): Στρώματα ZnO επιστρώνονται κυρίως με τις τεχνικές Sputtering and Chemical Vapor Deposition (CVD). Η τελευταία μέθοδος επιτρέπει την ανάπτυξη μιας τραχείας επιφάνειας, η οποία μπορεί να διαχύσει το διερχόμενο φως μέσω διασποράς, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα των ηλιακών συλλεκτών.
• Vapor Phase Transport (VPT)
• Magnetron Sputtering
• Liquid Phase Growth
  • Hydrothermal Method
  • Growth from Sollution
• Molecular Beam Epitaxy (MBE)
  • Pulsed Laser Deposition
  • Plasma-Assisted MBE

Βιβλιογραφία

• Physics Today, volume 58, No. 8, p. 33, August 2005
• "Oxygen Vacancies in ZnO", A. Janotti and C. G. Van de Walle, Appl. Phys. Lett. 87, 122102 (2005)
• Selective MOCVD growth of ZnO nanotips, Muthukumar, S. Haifeng Sheng, Jian Zhong, Zheng Zhang, Emanetoglu, N.W., Yicheng Lu; Nanotechnology, IEEE, Volume 2, Issue 1, Mar 2003
• Institut für Halbleitertechnik (Institute for Semiconductor Technology) of the Technical University Braunschweig, Germany - https://web.archive.org/web/20070220170111/http://www.iht.tu-bs.de/bakin/zno.html, 2007
• http://de.wikipedia.org/wiki/Zinkoxid