Кристаллическая решетка ZnO – гексагональная типа вюрцита.

Структура вюрцита получается из гексагональной плотноупакованной решётки, состоящей из двух взаимопроникающих гексагональных решёток Браве с базисом из двух одинаковых атомов на позициях (0,0,0) и

(a/2, ,с/2). Структура вюрцита состоит из двух ГПУ структур с позициями t₁=(0,0,0) и t₂=(0,0,с/2), занятыми различными атомами. Для идеального тетраэдрического окружения константы a и c будут связаны друг с другом соотношением . В реальных структурах наблюдаются отклонения от этого соотношения. Пространственная группа симметрии вюрцита C_6v4 (P63mc) несимморфна. Половина операций симметрии связана с непримитивной трансляцией t₂–t₁. Точечная группа симметрии – C_6v (6mm) и состоит из 12 элементов. Зона Бриллюэна вюрцитной структуры такая же, как и у гексагональной структуры.

Наностержни оксида цинка используются как газовые сенсоры. Эффект детектирования основывается на изменении тока, протекающего через наностержень при адсорбции газовых молекул. Наноиглы ZnO с нанокластерами Pd на поверхности могут зарегистрировать концентрацию водорода до 10 частей на миллион при комнатной температуре. Оксид цинка имеет высокую биосовместимость и высокую скорость передачи электронов. Эти особенности позволяют использовать этот материал и в качестве биосенсоров.

Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) – это полупроводниковые соединения, соединяющие в себе как полупроводниковые, так и магнитные свойства и получаются допированием немагнитного полупроводника элементами переходных металлов (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni и Cu). Потенциальные возможности полупроводниковых спинтронных приборов, использующих спин электронов в дополнение к их заряду, намного превышают возможности традиционных полупроводниковых устройств. Оксид цинка также является перспективным материалом для создания магнитных полупроводников для приложений спинтроники. Теоретически продемонстрировано, что матрица ZnO, допированная атомами переходных металлов проявляет ферромагнитное упорядочение, что дает возможность получать РМП с ферромагнитным упорядочением при комнатной температуре. Из ряда переходных элементов атомы марганца могут легко внедряться внутрь структуры ZnO благодаря тому, что 3d орбитали иона Mn2+ заполнены точно наполовину. Как следствие все пять спинов на этой орбитали параллельны согласно правилу Хунда и требуется значительная энергия, чтобы добавить электрон с противоположным спином. Ион Mn2+ обладает большим спиновым магнитным моментом S=5/2 и орбитальным моментом L=0. В полупроводниках II-VI Mn2+ электрически нейтрален и поэтому не является ни донором, ни акцептором, в то время как в полупроводниках III-V он является акцептором.

Большинство РМП имеют низкую температуру Кюри (TС), которая ограничивает их практическое применение. Однако теоретически предсказано, что температура Кюри может быть выше комнатной для p-типа РМП на основе широкозонных полупроводников таких как ZnO и GaN. В этих образцах наблюдается стабильное ферромагнитное упорядочение.

Полного объяснения магнитных свойств этих материалов до сих пор не создано. Первой была предложена модель Зинера. Она основана на положении, что магнитные атомы замещают атомы металла в кристаллической решетке полупроводника. Однако, это не всегда так. В арсениде галлия часто легируемые атомы занимают междоузлия. Образование кластеров марганца показано в ряде работ французских ученых. Другими авторами по результатам рентгеновской дифракции наблюдалось образование фазы GaMn3N в разбавленном магнитном полупроводнике GaN:Mn. Таким образом, разработаны различные теории объяснения магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников, основанные, например, на модели связанных магнитных поляронов и других моделях для неупорядоченных систем.

Как известно, размерные эффекты сильно меняют свойства материалов, в том числе и магнитные. Поэтому представляют интерес исследования, направленные на изучение именно наноструктур на основе РМП. Благодаря большему по сравнению с твердым телом временем когерентности, в нанопроводах и наностержнях возможно увеличение времени жизни спина, что, в свою очередь, может быть практически полезным для создания новых носителей информации, сенсоров и прочих устройств. Исключительный интерес представлял бы синтез одномерных наноструктур РМП. Его сложность состоит в том, что равновесная растворимость переходных металлов (Mn, Cr, Co и Cu) весьма ограничена. Также, нанокристаллы технически трудно легировать. Одномерные структуры РМП могли бы не только использоваться как хорошо структурированные «строительные блоки» в наноразмерных электронных и оптоэлектронных устройствах, но и позволили добиться высокой концентрации носителей тока и эффективного внедрения спин-поляризованных носителей.

Для контролируемого синтеза наноструктур необходимо установление фундаментальных взаимосвязей геометрии наноматериала с его электронной и магнитной структурами. Задача определения локальной структуры многих объектов, включая перспективные для спинтроники и нанофотоники наностержни со структурой сердцевина-оболочка разбавленных магнитных полупроводников семейства ZnO/ZnO:Mn, требует новых методик исследования, так как существующие экспериментальные методы не позволяют с высокой точностью определять трехмерное распределение атомов. Например, зондовые микроскопии позволяют определять только приблизительную форму поверхности наностержней, а рентгеновская дифракция не может дать информацию об атомной структуре тонких приповерхностных слоев в гетероструктурных наностержнях.

При изучении РМП необходимо выяснить, как конкретно меняется локальная атомная структура в окрестности внедренных атомов, поскольку механизм изменений, имеющих место в разбавленных полупроводниках, далеко не очевиден. Одним уникальных методов для таких исследований может стать анализ ближней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения (международный термин XANES – X-ray Absorption Near Edge Structure). Однако до настоящего времени, возможность выделения количественной структурной информации из этих спектров до настоящего времени практически не использовалась. Одной из основных причин такого «отставания» в применения XANES по сравнению с EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure – протяжённая тонкая структура спектров рентгеновского поглощения) является то, что на формирование тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в ближней к краю поглощения энергетической области оказывают существенное влияние много факторов, которые существенно затрудняют интерпретацию спектров. Поэтому только недавно удалось существенно продвинуться в разработке применения методики XANES для анализа такой важной характеристики вещества в конденсированном состоянии как локальной атомной структуры.