Óxido de Zinco (ZnO) é um semicondutor de largo bandgap direto (~3.3 eV) que tem sido utilizado em inúmeras aplicações, tais como diodos emissores de luz, lasers no ultravioleta, fotocatalisadores, e células solares. Uma desafio para a utilização de ZnO em dispositivos optoeletrônicos envolve a dificuldade em preparar de forma reprodutível materiais dopados do tipo-p tendo em vista a fácil formação de defeitos intrinsicamente do tipo-n. Uma importante contribuição para a condutividade tipo-n do ZnO é a dopagem não intencional do mesmo por átomos de hidrogênio intersticial na rede do material que ocorre durante o processo de produção deste óxido.
Em condições ambientes o ZnO apresenta estrutura hexagonal wurtzita, com planos de Zn e O empilhados alternadamente ao longo do eixo-c. Como consequência, a superfície ZnO(0001) terminada em Zn, e a ZnO(000-1) terminada em O, são polares e exibem propriedades químicas diferentes. Para estabilizar o momento de dipolo formado, estas superfícies necessariamente reconstroem. Em particular, a superfície ZnO(0001)-(2x2) reconstrói através da formação de vacâncias de Zn. Durante décadas existiu na literatura um debate sobre a correta estrutura de superfície desta reconstrução, bem como os mecanismos envolvidos na formação da reconstrução e em sua estabilização.
Neste trabalho, utilizamos técnicas sensíveis à superfície, tais como, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), low-energy electron diffraction (LEED) e X-ray photoelectron diffraction (XPD), para determinar a estrutura de superfícies do ZnO(0001)-(2x2). Os resultados experimentais cabalmente confirmaram a formação periódica de vacâncias de Zn. Além disto, utilizamos cálculos baseados na teoria do funcional da densidade (DFT) para propor um novo mecanismo de estabilização da superfície, onde átomos de H provenientes do volume do material migram para a superfície, ligando-se aos oxigênios na vizinhança da vacância, formando hidroxila. Finalmente um cálculo do caminho de reação demonstrou que a migração do hidrogênio intersticial do volume para a superfície também é responsável pela desorção de Zn (formação das vacâncias).
Para saber mais:
Luis Henrique de Lima*, Wendell Simões e Silva, Iago Aédon Silva Prior, Richard Landers, and Abner de Siervo, J. Phys. Chem. C 2023, 127, 18, 8795–8802