1. Вовед

Цинк телуридот (ZnTe) е важен полупроводнички материјал од II-VI групата со директна структура на енергетски јаз. На собна температура, неговиот енергетски јаз е приближно 2,26 eV и наоѓа широка примена во оптоелектронски уреди, сончеви ќелии, детектори за зрачење и други области. Оваа статија ќе обезбеди детален вовед во различни процеси на синтеза на цинк телурид, вклучувајќи реакција во цврста состојба, транспорт на пареа, методи базирани на раствор, молекуларна зрачна епитаксија итн. Секој метод ќе биде темелно објаснет во однос на неговите принципи, процедури, предности и недостатоци, како и клучни размислувања.

2. Метод на реакција во цврста состојба за синтеза на ZnTe

2.1 Принцип

Методот на реакција во цврста состојба е најтрадиционалниот пристап за подготовка на цинк телурид, каде што цинкот со висока чистота и телуриумот реагираат директно на високи температури за да формираат ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Детална постапка

2.2.1 Подготовка на суровини

1. Избор на материјал: Како почетни материјали користете гранули од цинк со висока чистота и грутки од телуриум со чистота ≥99,999%.
2. Предтретман на материјал:
   • Третман со цинк: Прво потопете во разредена хлороводородна киселина (5%) 1 минута за да се отстранат површинските оксиди, исплакнете со дејонизирана вода, измијте со безводен етанол и конечно исушете во вакуумска печка на 60°C во тек на 2 часа.
   • Третман со телуриум: Прво потопете во аква региа (HNO₃:HCl=1:3) 30 секунди за да ги отстраните површинските оксиди, исплакнете со дејонизирана вода додека не стане неутрално, измијте со безводен етанол и конечно сушете во вакуумска печка на 80°C во тек на 3 часа.
3. Варење: Измерете ги суровините во стехиометриски сооднос (Zn:Te=1:1). Имајќи ја предвид можната испарливост на цинкот на високи температури, може да се додаде вишок од 2-3%.

2.2.2 Мешање на материјали

1. Мелење и мешање: Ставете го измерениот цинк и телуриум во агатен малтер и мелете 30 минути во кутија за ракавици исполнета со аргон додека не се измеша рамномерно.
2. Пелетизирање: Ставете го измешаниот прав во калап и притиснете го во пелети со дијаметар од 10-20 mm под притисок од 10-15 MPa.

2.2.3 Подготовка на садот за реакција

1. Третман на кварцни цевки: Изберете кварцни цевки со висока чистота (внатрешен дијаметар 20-30 mm, дебелина на ѕидот 2-3 mm), прво потопете ги во кралска вода 24 часа, исплакнете темелно со дејонизирана вода и исушете ги во рерна на 120°C.
2. Евакуација: Ставете ги пелетите од суровина во кварцната цевка, поврзете ги со вакуумски систем и евакуирајте до ≤10⁻³Pa.
3. Запечатување: Запечатете ја кварцната цевка со пламен од водород-кислород, осигурувајќи должина на запечатување ≥50 mm за херметичка непропустливост.

2.2.4 Реакција на висока температура

1. Прва фаза на загревање: Ставете ја запечатената кварцна цевка во цевна печка и загревајте ја до 400°C со брзина од 2-3°C/мин, држејќи ја 12 часа за да се овозможи почетна реакција помеѓу цинкот и телуриумот.
2. Втора фаза на загревање: Продолжете со загревање до 950-1050°C (под точката на омекнување на кварцот од 1100°C) со брзина од 1-2°C/мин, држејќи го така 24-48 часа.
3. Нишање на цевката: За време на фазата на висока температура, навалувајте ја печката на 45° на секои 2 часа и нишајте неколку пати за да се обезбеди темелно мешање на реактантите.
4. Ладење: По завршувањето на реакцијата, полека изладете на собна температура со брзина од 0,5-1°C/мин за да се спречи пукање на примерокот поради термички стрес.

2.2.5 Обработка на производи

1. Отстранување на производот: Отворете ја кварцната цевка во преградата за ракавици и отстранете го реакцискиот производ.
2. Мелење: Повторно сомелете го производот во прав за да ги отстраните сите нереагирани материјали.
3. Жарење: Жарете го прашокот на 600°C под аргонска атмосфера 8 часа за да се намали внатрешниот стрес и да се подобри кристалноста.
4. Карактеризација: Направете XRD, SEM, EDS итн., за да ја потврдите чистотата на фазата и хемискиот состав.

2.3 Оптимизација на параметрите на процесот

1. Контрола на температурата: Оптималната температура на реакцијата е 1000 ± 20°C. Пониските температури може да доведат до нецелосна реакција, додека повисоките температури може да предизвикаат испарување на цинкот.
2. Контрола на времето: Времето на задржување треба да биде ≥24 часа за да се обезбеди целосна реакција.
3. Брзина на ладење: Бавното ладење (0,5-1°C/мин) дава поголеми кристални зрна.

2.4 Анализа на предности и недостатоци

Предности:

• Едноставен процес, ниски барања за опрема
• Погодно за сериско производство
• Висока чистота на производот

Недостатоци:

• Висока температура на реакција, висока потрошувачка на енергија
• Нерамномерна распределба на големината на зрната
• Може да содржи мали количини на нереагирани материјали

3. Метод на транспорт на пареа за синтеза на ZnTe

3.1 Принцип

Методот на транспорт на пареа користи гас-носач за транспорт на пареи од реактантот во зона со ниска температура за таложење, постигнувајќи насочен раст на ZnTe со контролирање на температурните градиенти. Јодот најчесто се користи како транспортен агенс:

ZnTe(s) + I2(g) ⇌ ZnI2(g) + 1/2Te2(g)

3.2 Детална постапка

3.2.1 Подготовка на суровини

1. Избор на материјал: Користете ZnTe прав со висока чистота (чистота ≥99,999%) или стехиометриски измешани Zn и Te прав.
2. Подготовка на транспортен агенс: Кристали на јод со висока чистота (чистота ≥99,99%), доза од 5-10 mg/cm³ волумен на реакционата епрувета.
3. Третман со кварцни цевки: Исто како и методот на реакција во цврста состојба, но потребни се подолги кварцни цевки (300-400 mm).

3.2.2 Вчитување на цевката

1. Поставување на материјалот: Ставете ZnTe прав или Zn+Te смеса на едниот крај од кварцната цевка.
2. Додавање на јод: Додадете кристали од јод во кварцната цевка во преградата за ракавици.
3. Евакуација: Евакуирајте до ≤10⁻³Pa.
4. Запечатување: Запечатете со пламен од водород-кислород, држејќи ја цевката хоризонтална.

3.2.3 Поставување на градиент на температурата

1. Температура на топла зона: Поставете на 850-900°C.
2. Температура во ладна зона: Поставете на 750-800°C.
3. Должина на градиентната зона: приближно 100-150 мм.

3.2.4 Процес на раст

1. Прва фаза: Загревање до 500°C со брзина од 3°C/мин, држење 2 часа за да се овозможи почетна реакција помеѓу јодот и суровините.
2. Втора фаза: Продолжете со загревање до зададената температура, одржувајте го температурниот градиент и растете 7-14 дена.
3. Ладење: По завршувањето на растот, изладете на собна температура со брзина од 1°C/мин.

3.2.5 Колекција на производи

1. Отворање на цевката: Отворете ја кварцната цевка во преградата за ракавици.
2. Собирање: Соберете ги ZnTe монокристалите на ладниот крај.
3. Чистење: Ултразвучно чистете со безводен етанол 5 минути за да се отстрани површински адсорбираниот јод.

3.3 Точки на контрола на процесот

1. Контрола на количината на јод: Концентрацијата на јод влијае на брзината на транспорт; оптималниот опсег е 5-8 mg/cm³.
2. Температурен градиент: Одржувајте го градиентот во рамките на 50-100°C.
3. Време на раст: Типично 7-14 дена, во зависност од саканата големина на кристалот.

3.4 Анализа на предности и недостатоци

Предности:

• Може да се добијат висококвалитетни монокристали
• Поголеми кристални димензии
• Висока чистота

Недостатоци:

• Долги циклуси на раст
• Високи барања за опрема
• Низок принос

4. Метод базиран на раствор за синтеза на ZnTe наноматеријали

4.1 Принцип

Методите базирани на раствор ги контролираат прекурсорските реакции во раствор за да се подготват ZnTe наночестички или наножици. Типична реакција е:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Детална постапка

4.2.1 Подготовка на реагенс

1. Извор на цинк: Цинк ацетат (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), чистота ≥99,99%.
2. Извор на телуриум: телуриум диоксид (TeO₂), чистота ≥99,99%.
3. Редукционо средство: Натриум борохидрид (NaBH₄), чистота ≥98%.
4. Растворувачи: Дејонизирана вода, етилендиамин, етанол.
5. Сурфактант: Цетилтриметиламониум бромид (CTAB).

4.2.2 Подготовка на прекурсор на телуриум

1. Подготовка на растворот: Растворете 0,1 mmol TeO₂ во 20 ml дејонизирана вода.
2. Реакција на редукција: Додадете 0,5 mmol NaBH₄, мешајте магнетно 30 минути за да се добие раствор од HTe⁻.
   TeO2 + 3BH4- + 3H2O → HTe- + 3B(OH)3 + 3H2↑
3. Заштитна атмосфера: Одржувајте проток на азот низ целата површина за да се спречи оксидација.

4.2.3 Синтеза на ZnTe наночестички

1. Подготовка на раствор од цинк: Растворете 0,1 mmol цинк ацетат во 30 ml етилендиамин.
2. Реакција на мешање: Полека додадете раствор од HTe⁻ во растворот од цинк, реагирајте на 80°C во тек на 6 часа.
3. Центрифугирање: По реакцијата, центрифугирајте на 10.000 вртежи во минута 10 минути за да се собере производот.
4. Перење: Наизменично перење со етанол и дејонизирана вода три пати.
5. Сушење: Сушење во вакуум на 60°C во тек на 6 часа.

4.2.4 Синтеза на ZnTe наножици

1. Додавање на шаблон: Додадете 0,2 g CTAB во растворот од цинк.
2. Хидротермална реакција: Префрлете го измешаниот раствор во автоклав од 50 ml обложен со тефлон, реагирајте на 180°C во тек на 12 часа.
3. Пост-обработка: Исто како и за наночестичките.

4.3 Оптимизација на параметрите на процесот

1. Контрола на температурата: 80-90°C за наночестички, 180-200°C за наножици.
2. pH вредност: Одржувајте помеѓу 9-11.
3. Време на реакција: 4-6 часа за наночестички, 12-24 часа за наножици.

4.4 Анализа на предности и недостатоци

Предности:

• Реакција на ниска температура, заштеда на енергија
• Контролирана морфологија и големина
• Погодно за производство на големи размери

Недостатоци:

• Производите може да содржат нечистотии
• Потребна е пост-обработка
• Понизок квалитет на кристали

5. Молекуларна зрачна епитаксија (MBE) за подготовка на тенок филм од ZnTe

5.1 Принцип

MBE одгледува тенки филмови од монокристал ZnTe со насочување на молекуларни зраци од Zn и Te врз подлога под ултра-високи вакуумски услови, прецизно контролирајќи ги односите на флукс на зракот и температурата на подлогата.

5.2 Детална постапка

5.2.1 Подготовка на системот

1. Вакуумски систем: Основен вакуум ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Подготовка на изворот:
   • Извор на цинк: 6N цинк со висока чистота во BN сад.
   • Извор на телуриум: 6N телуриум со висока чистота во PBN сад.
3. Подготовка на подлогата:
   • Најчесто користен супстрат GaAs(100).
   • Чистење на подлогата: Чистење на органски растворувач → киселинско јоргање → плакнење со дејонизирана вода → сушење со азот.

5.2.2 Процес на раст

1. Испуштање гасови од подлогата: Печете на 200°C 1 час за да се отстранат површинските адсорбати.
2. Отстранување на оксиди: Загрејте до 580°C, држете 10 минути за да ги отстраните површинските оксиди.
3. Раст на тампон слој: Ладете на 300°C, одгледувајте 10nm ZnTe тампон слој.
4. Главен раст:
   • Температура на подлогата: 280-320°C.
   • Еквивалентен притисок на цинков зрак: 1×10⁻⁶Torr.
   • Еквивалентен притисок на телуриумски сноп: 2×10⁻⁶Torr.
   • Односот V/III е контролиран на 1,5-2,0.
   • Стапка на раст: 0,5-1μm/h.
5. Жарење: По растот, жарете на 250°C 30 минути.

5.2.3 Мониторинг на лице место

1. Мониторинг на RHEED: Набљудување во реално време на реконструкцијата на површината и режимот на раст.
2. Масена спектрометрија: Следење на интензитетот на молекуларните зраци.
3. Инфрацрвена термометрија: Прецизна контрола на температурата на подлогата.

5.3 Точки на контрола на процесот

1. Контрола на температурата: Температурата на подлогата влијае на квалитетот на кристалите и морфологијата на површината.
2. Однос на флукс на гредата: Односот Te/Zn влијае на типовите на дефекти и концентрациите.
3. Стапка на раст: Пониските стапки го подобруваат квалитетот на кристалите.

5.4 Анализа на предности и недостатоци

Предности:

• Прецизен состав и контрола на допинг.
• Висококвалитетни монокристални филмови.
• Атомски рамни површини што можат да се остварат.

Недостатоци:

• Скапа опрема.
• Бавни стапки на раст.
• Потребни се напредни оперативни вештини.

6. Други методи на синтеза

6.1 Хемиско таложење на пареа (CVD)

1. Прекурсори: Диетилцинк (DEZn) и диизопропилтелурид (DIPTe).
2. Температура на реакција: 400-500°C.
3. Носечки гас: Азот или водород со висока чистота.
4. Притисок: Атмосферски или низок притисок (10-100 Торр).

6.2 Термичко испарување

1. Изворен материјал: ZnTe прав со висока чистота.
2. Ниво на вакуум: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Температура на испарување: 1000-1100°C.
4. Температура на подлогата: 200-300°C.

7. Заклучок

Постојат различни методи за синтетизирање на цинк телурид, секој со свои предности и недостатоци. Реакцијата во цврста состојба е погодна за подготовка на материјал во голем обем, транспортот на пареа дава висококвалитетни монокристали, методите во раствор се идеални за наноматеријали, а MBE се користи за висококвалитетни тенки филмови. Практичните апликации треба да го изберат соодветниот метод врз основа на барањата, со строга контрола на параметрите на процесот за да се добијат високо-перформансни ZnTe материјали. Идните насоки вклучуваат синтеза на ниска температура, контрола на морфологијата и оптимизација на процесот на допирање.