1. Ievads

Cinka telurīds (ZnTe) ir svarīgs II-VI grupas pusvadītāju materiāls ar tiešu joslas spraugu. Istabas temperatūrā tā joslas sprauga ir aptuveni 2,26 eV, un to plaši izmanto optoelektroniskās ierīcēs, saules baterijās, starojuma detektoros un citās jomās. Šajā rakstā tiks sniegts detalizēts ievads dažādos cinka telurīda sintēzes procesos, tostarp cietvielu reakcijā, tvaiku transportā, uz šķīdumiem balstītās metodēs, molekulāro staru epitaksijā utt. Katra metode tiks rūpīgi izskaidrota, ņemot vērā tās principus, procedūras, priekšrocības un trūkumus, kā arī galvenos apsvērumus.

2. Cietvielu reakcijas metode ZnTe sintēzei

2.1 Princips

Cietvielu reakcijas metode ir tradicionālākā cinka telurīda iegūšanas metode, kur augstas tīrības pakāpes cinks un telūrs reaģē tieši augstā temperatūrā, veidojot ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Detalizēta procedūra

2.2.1 Izejvielu sagatavošana

1. Materiālu izvēle: Kā izejmateriālus izmantojiet augstas tīrības pakāpes cinka granulas un telūra gabalus ar tīrību ≥99,999%.
2. Materiāla pirmapstrāde:
   • Cinka apstrāde: vispirms iegremdējiet atšķaidītā sālsskābē (5%) uz 1 minūti, lai noņemtu virsmas oksīdus, noskalojiet ar dejonizētu ūdeni, mazgājiet ar bezūdens etanolu un visbeidzot žāvējiet vakuuma krāsnī 60°C temperatūrā 2 stundas.
   • Telūra apstrāde: vispirms iegremdējiet karaliskajā ūdenī (HNO₃:HCl=1:3) uz 30 sekundēm, lai noņemtu virsmas oksīdus, noskalojiet ar dejonizētu ūdeni līdz neitrālai masai, mazgājiet ar bezūdens etanolu un visbeidzot žāvējiet vakuuma krāsnī 80°C temperatūrā 3 stundas.
3. Svēršana: Izejvielas sver stehiometriskā attiecībā (Zn:Te = 1:1). Ņemot vērā iespējamo cinka iztvaikošanu augstās temperatūrās, var pievienot 2–3 % pārpalikumu.

2.2.2 Materiālu sajaukšana

1. Slīpēšana un sajaukšana: Ievietojiet nosvērto cinku un telūru ahāta piestā un 30 minūtes maļiet argona pildītā cimdu nodalījumā, līdz masa ir vienmērīgi sajaukta.
2. Granulēšana: Ievietojiet sajaukto pulveri veidnē un presējiet 10–20 mm diametra granulās ar spiedienu 10–15 MPa.

2.2.3 Reakcijas trauka sagatavošana

1. Kvarca mēģenes apstrāde: Izvēlieties augstas tīrības pakāpes kvarca mēģenes (iekšējais diametrs 20–30 mm, sienas biezums 2–3 mm), vispirms 24 stundas iemērciet karaliskajā ūdenī, rūpīgi noskalojiet ar dejonizētu ūdeni un žāvējiet cepeškrāsnī 120 °C temperatūrā.
2. Vakuums: Ievietojiet izejmateriāla granulas kvarca mēģenē, pievienojiet vakuuma sistēmai un evakuējiet līdz ≤10⁻³Pa.
3. Blīvējums: Kvarca caurulīti noblīvējiet, izmantojot ūdeņraža-skābekļa liesmu, nodrošinot hermētiskuma nodrošināšanai ≥50 mm blīvējuma garumu.

2.2.4 Augstas temperatūras reakcija

1. Pirmais karsēšanas posms: ievietojiet noslēgto kvarca cauruli caurules krāsnī un karsējiet līdz 400 °C ar ātrumu 2–3 °C/min, turot šo temperatūru 12 stundas, lai nodrošinātu sākotnējo reakciju starp cinku un telūru.
2. Otrais sildīšanas posms: turpināt sildīšanu līdz 950–1050 °C (zem kvarca mīkstināšanas temperatūras 1100 °C) ar ātrumu 1–2 °C/min, turot šo temperatūru 24–48 stundas.
3. Caurules šūpošana: Augstās temperatūras posmā ik pēc 2 stundām krāsni nolieciet 45° leņķī un vairākas reizes sakratiet, lai nodrošinātu reaģentu rūpīgu sajaukšanos.
4. Dzesēšana: Pēc reakcijas pabeigšanas lēnām atdzesējiet līdz istabas temperatūrai ar ātrumu 0,5–1 °C/min, lai novērstu parauga plaisāšanu termiskā sprieguma dēļ.

2.2.5 Produktu apstrāde

1. Produkta izņemšana: Atveriet kvarca mēģeni cimdu nodalījumā un izņemiet reakcijas produktu.
2. Slīpēšana: Atkārtoti samaļ produktu pulverī, lai noņemtu visus neizreaģējušos materiālus.
3. Atkvēlināšana: Atkvēliniet pulveri 600°C temperatūrā argona atmosfērā 8 stundas, lai mazinātu iekšējo spriegumu un uzlabotu kristalinitāti.
4. Raksturošana: Veiciet XRD, SEM, EDS u. c. analīzes, lai apstiprinātu fāzes tīrību un ķīmisko sastāvu.

2.3 Procesa parametru optimizācija

1. Temperatūras kontrole: optimālā reakcijas temperatūra ir 1000 ± 20 °C. Zemāka temperatūra var izraisīt nepilnīgu reakciju, savukārt augstāka temperatūra var izraisīt cinka iztvaikošanu.
2. Laika kontrole: Lai nodrošinātu pilnīgu reakciju, iedarbības laikam jābūt ≥24 stundām.
3. Dzesēšanas ātrums: Lēna dzesēšana (0,5–1 °C/min) dod lielākus kristāla graudus.

2.4 Priekšrocību un trūkumu analīze

Priekšrocības:

• Vienkāršs process, zemas aprīkojuma prasības
• Piemērots partijas ražošanai
• Augsta produkta tīrība

Trūkumi:

• Augsta reakcijas temperatūra, augsts enerģijas patēriņš
• Nevienmērīgs graudu izmēru sadalījums
• Var saturēt nelielu daudzumu nereaģējušu materiālu

3. Tvaika pārneses metode ZnTe sintēzei

3.1 Princips

Tvaika transportēšanas metode izmanto nesējgāzi, lai transportētu reaģenta tvaikus uz zemas temperatūras zonu nogulsnēšanai, panākot ZnTe virzītu augšanu, kontrolējot temperatūras gradientus. Kā transportēšanas aģentu parasti izmanto jodu:

ZnTe(s) + I2(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Detalizēta procedūra

3.2.1 Izejvielu sagatavošana

1. Materiāla izvēle: Izmantojiet augstas tīrības pakāpes ZnTe pulveri (tīrība ≥99,999%) vai stehiometriski sajauktus Zn un Te pulverus.
2. Transporta līdzekļa sagatavošana: augstas tīrības pakāpes joda kristāli (tīrība ≥99,99%), deva 5–10 mg/cm³ reakcijas mēģenes tilpuma.
3. Kvarca caurules apstrāde: tāda pati kā cietvielu reakcijas metode, bet ir nepieciešamas garākas kvarca caurules (300–400 mm).

3.2.2 Caurules ielāde

1. Materiāla izvietošana: Ievietojiet ZnTe pulveri vai Zn+Te maisījumu kvarca caurules vienā galā.
2. Joda pievienošana: Cimdu nodalījumā kvarca mēģenē pievienojiet joda kristālus.
3. Evakuācija: Evakuēt līdz ≤10⁻³Pa.
4. Blīvēšana: Noslēdziet ar ūdeņraža-skābekļa liesmu, turot cauruli horizontāli.

3.2.3 Temperatūras gradienta iestatīšana

1. Karstās zonas temperatūra: Iestatiet 850–900 °C.
2. Aukstās zonas temperatūra: iestatiet uz 750–800 °C.
3. Gradienta zonas garums: aptuveni 100–150 mm.

3.2.4 Izaugsmes process

1. Pirmais posms: uzkarsē līdz 500°C ar ātrumu 3°C/min, turiet 2 stundas, lai notiktu sākotnēja reakcija starp jodu un izejvielām.
2. Otrais posms: turpiniet sildīt līdz iestatītajai temperatūrai, uzturiet temperatūras gradientu un audzējiet 7–14 dienas.
3. Dzesēšana: Pēc augšanas pabeigšanas atdzesēt līdz istabas temperatūrai ar ātrumu 1°C/min.

3.2.5 Produktu kolekcija

1. Caurules atvēršana: Atveriet kvarca cauruli cimdu nodalījumā.
2. Savākšana: Savāciet ZnTe monokristālus aukstajā galā.
3. Tīrīšana: Ultraskaņas tīrīšana ar bezūdens etanolu 5 minūtes, lai noņemtu uz virsmas adsorbēto jodu.

3.3 Procesa kontroles punkti

1. Joda daudzuma kontrole: joda koncentrācija ietekmē transporta ātrumu; optimālais diapazons ir 5–8 mg/cm³.
2. Temperatūras gradients: Uzturēt gradientu 50–100 °C robežās.
3. Augšanas laiks: Parasti 7–14 dienas atkarībā no vēlamā kristāla izmēra.

3.4 Priekšrocību un trūkumu analīze

Priekšrocības:

• Var iegūt augstas kvalitātes monokristālus
• Lielāki kristālu izmēri
• Augsta tīrība

Trūkumi:

• Ilgi augšanas cikli
• Augstas aprīkojuma prasības
• Zema raža

4. Uz šķīdumiem balstīta metode ZnTe nanomateriālu sintēzei

4.1 Princips

Uz šķīdumiem balstītas metodes kontrolē prekursoru reakcijas šķīdumā, lai sagatavotu ZnTe nanodaļiņas vai nanodrāšus. Tipiska reakcija ir:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Detalizēta procedūra

4.2.1 Reaģentu sagatavošana

1. Cinka avots: cinka acetāts (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), tīrība ≥99,99%.
2. Telūra avots: telūra dioksīds (TeO₂), tīrība ≥99,99%.
3. Reducētājs: nātrija borohidrīds (NaBH₄), tīrība ≥98%.
4. Šķīdinātāji: dejonizēts ūdens, etilēndiamīns, etanols.
5. Virsmaktīvā viela: cetiltrimetilamonija bromīds (CTAB).

4.2.2 Telūra prekursora sagatavošana

1. Šķīduma pagatavošana: Izšķīdiniet 0,1 mmol TeO₂ 20 ml dejonizēta ūdens.
2. Redukcijas reakcija: pievienojiet 0,5 mmol NaBH₄, maisiet magnētiski 30 minūtes, lai iegūtu HTe⁻ šķīdumu.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. Aizsargatmosfēra: Visā procesā jāuztur slāpekļa plūsma, lai novērstu oksidēšanos.

4.2.3 ZnTe nanodaļiņu sintēze

1. Cinka šķīduma pagatavošana: Izšķīdiniet 0,1 mmol cinka acetāta 30 ml etilēndiamīna.
2. Sajaukšanas reakcija: Lēnām pievienojiet HTe⁻ šķīdumu cinka šķīdumam, reaģējiet 80°C temperatūrā 6 stundas.
3. Centrifugēšana: Pēc reakcijas centrifugējiet ar ātrumu 10 000 apgr./min 10 minūtes, lai savāktu produktu.
4. Mazgāšana: Trīs reizes pārmaiņus mazgā ar etanolu un dejonizētu ūdeni.
5. Žāvēšana: Žāvēt vakuumā 60°C temperatūrā 6 stundas.

4.2.4 ZnTe nanovadu sintēze

1. Šablona pievienošana: cinka šķīdumam pievienojiet 0,2 g CTAB.
2. Hidrotermālā reakcija: Pārnesiet sajaukto šķīdumu 50 ml ar teflonu izklātā autoklāvā, reaģējiet 180 °C temperatūrā 12 stundas.
3. Pēcapstrāde: Tāpat kā nanodaļiņām.

4.3 Procesa parametru optimizācija

1. Temperatūras kontrole: 80–90 °C nanodaļiņām, 180–200 °C nanodrātīm.
2. pH vērtība: Uzturēt no 9 līdz 11.
3. Reakcijas laiks: 4–6 stundas nanodaļiņām, 12–24 stundas nanodrātīm.

4.4 Priekšrocību un trūkumu analīze

Priekšrocības:

• Zemas temperatūras reakcija, enerģijas taupīšana
• Kontrolējama morfoloģija un izmērs
• Piemērots liela mēroga ražošanai

Trūkumi:

• Produkti var saturēt piemaisījumus
• Nepieciešama pēcapstrāde
• Zemāka kristāla kvalitāte

5. Molekulārā stara epitaksija (MBE) ZnTe plāno kārtiņu sagatavošanai

5.1 Princips

MBE audzē ZnTe monokristāla plānās kārtiņas, virzot Zn un Te molekulāros starus uz substrāta īpaši augsta vakuuma apstākļos, precīzi kontrolējot staru plūsmas attiecības un substrāta temperatūru.

5.2 Detalizēta procedūra

5.2.1 Sistēmas sagatavošana

1. Vakuuma sistēma: pamata vakuums ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Avota sagatavošana:
   • Cinka avots: 6N augstas tīrības pakāpes cinks BN tīģelī.
   • Telūra avots: 6N augstas tīrības pakāpes telūrs PBN tīģelī.
3. Pamatnes sagatavošana:
   • Bieži izmantots GaAs(100) substrāts.
   • Substrāta tīrīšana: Organisko šķīdinātāju tīrīšana → skābes kodināšana → skalošana ar dejonizētu ūdeni → žāvēšana ar slāpekli.

5.2.2 Izaugsmes process

1. Substrāta izvadīšana no gāzes: Cepiet 200°C temperatūrā 1 stundu, lai noņemtu virsmas adsorbātus.
2. Oksīda noņemšana: Uzkarsē līdz 580°C, turi 10 minūtes, lai noņemtu virsmas oksīdus.
3. Buferslāņa audzēšana: atdzesē līdz 300°C, audzē 10nm ZnTe buferslāni.
4. Galvenā izaugsme:
   • Pamatnes temperatūra: 280–320 °C.
   • Cinka sijas ekvivalentais spiediens: 1×10⁻⁶Torr.
   • Telūra stara ekvivalentais spiediens: 2×10⁻⁶Torr.
   • V/III attiecība tiek kontrolēta 1,5–2,0 robežās.
   • Augšanas ātrums: 0,5–1 μm/h.
5. Atkvēlināšana: Pēc audzēšanas atkvēliniet 250°C temperatūrā 30 minūtes.

5.2.3 Uzraudzība uz vietas

1. RHEED monitorings: virsmas rekonstrukcijas un augšanas režīma novērošana reāllaikā.
2. Masas spektrometrija: molekulāro staru intensitātes uzraudzība.
3. Infrasarkanā termometrija: precīza pamatnes temperatūras kontrole.

5.3 Procesa kontroles punkti

1. Temperatūras kontrole: substrāta temperatūra ietekmē kristāla kvalitāti un virsmas morfoloģiju.
2. Staru plūsmas attiecība: Te/Zn attiecība ietekmē defektu veidus un koncentrācijas.
3. Augšanas ātrums: Zemāks ātrums uzlabo kristāla kvalitāti.

5.4 Priekšrocību un trūkumu analīze

Priekšrocības:

• Precīzs sastāvs un dopinga kontrole.
• Augstas kvalitātes monokristāla plēves.
• Atomāri plakanas virsmas ir sasniedzamas.

Trūkumi:

• Dārgs aprīkojums.
• Lēni izaugsmes tempi.
• Nepieciešamas padziļinātas operacionālās prasmes.

6. Citas sintēzes metodes

6.1 Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD)

1. Prekursori: dietilcinks (DEZn) un diizopropiltelurīds (DIPTe).
2. Reakcijas temperatūra: 400–500 °C.
3. Nesējgāze: augstas tīrības pakāpes slāpeklis vai ūdeņradis.
4. Spiediens: atmosfēras vai zems spiediens (10–100 toru).

6.2 Termiskā iztvaikošana

1. Izejmateriāls: augstas tīrības pakāpes ZnTe pulveris.
2. Vakuuma līmenis: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Iztvaikošanas temperatūra: 1000–1100 °C.
4. Pamatnes temperatūra: 200–300 °C.

7. Secinājums

Pastāv dažādas cinka telurīda sintēzes metodes, katrai no tām ir savas priekšrocības un trūkumi. Cietvielu reakcija ir piemērota lielapjoma materiālu sagatavošanai, tvaiku transportēšana dod augstas kvalitātes monokristālus, šķīduma metodes ir ideāli piemērotas nanomateriāliem, un MBE tiek izmantota augstas kvalitātes plānām plēvēm. Praktiskajos pielietojumos jāizvēlas atbilstoša metode, pamatojoties uz prasībām, stingri kontrolējot procesa parametrus, lai iegūtu augstas veiktspējas ZnTe materiālus. Nākotnes virzieni ietver sintēzi zemā temperatūrā, morfoloģijas kontroli un dopinga procesa optimizāciju.