1. Introduktion

Zinktellurid (ZnTe) är ett viktigt halvledarmaterial i II-VI-gruppen med en direkt bandgapstruktur. Vid rumstemperatur är dess bandgap ungefär 2,26 eV, och det finner breda tillämpningar inom optoelektroniska anordningar, solceller, strålningsdetektorer och andra områden. Denna artikel kommer att ge en detaljerad introduktion till olika syntesprocesser för zinktellurid, inklusive fastfasreaktion, ångtransport, lösningsbaserade metoder, molekylärstråleepitaxi, etc. Varje metod kommer att förklaras grundligt med avseende på dess principer, procedurer, fördelar och nackdelar samt viktiga överväganden.

2. Fastfasreaktionsmetod för ZnTe-syntes

2.1 Princip

Fastfasreaktionsmetoden är den mest traditionella metoden för att framställa zinktellurid, där högrent zink och tellur reagerar direkt vid höga temperaturer för att bilda ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Detaljerat förfarande

2.2.1 Råmaterialberedning

1. Materialval: Använd zinkgranulat med hög renhet och tellurklumpar med en renhet ≥99,999 % som utgångsmaterial.
2. Materialförbehandling:
   • Zinkbehandling: Doppa först i utspädd saltsyra (5 %) i 1 minut för att avlägsna ytoxider, skölj med avjoniserat vatten, tvätta med vattenfri etanol och torka slutligen i vakuumugn vid 60 °C i 2 timmar.
   • Tellurbehandling: Doppa först i kungsvatten (HNO₃:HCl=1:3) i 30 sekunder för att avlägsna ytoxider, skölj med avjoniserat vatten tills neutralt tillstånd uppstår, tvätta med vattenfri etanol och torka slutligen i vakuumugn vid 80 °C i 3 timmar.
3. Vägning: Väg råmaterialen i stökiometriskt förhållande (Zn:Te=1:1). Med tanke på eventuell zinkförångning vid höga temperaturer kan ett överskott på 2–3 % tillsättas.

2.2.2 Materialblandning

1. Malning och blandning: Placera den vägda zinken och telluren i en agatmortel och mal i 30 minuter i en argonfylld handskfack tills blandningen är jämn.
2. Pelletisering: Placera det blandade pulvret i en form och pressa till pellets med diametrar på 10-20 mm under 10-15 MPa tryck.

2.2.3 Förberedelse av reaktionskärl

1. Behandling av kvartsrör: Välj kvartsrör med hög renhet (innerdiameter 20–30 mm, väggtjocklek 2–3 mm), blötlägg först i kungsvatten i 24 timmar, skölj noggrant med avjoniserat vatten och torka i ugn vid 120 °C.
2. Evakuering: Placera råmaterialpelletsen i kvartsröret, anslut till ett vakuumsystem och evakuera till ≤10⁻³Pa.
3. Tätning: Täta kvartsröret med en väte-syre-låga, och säkerställ en tätningslängd ≥50 mm för lufttäthet.

2.2.4 Reaktion vid hög temperatur

1. Första uppvärmningssteget: Placera det förseglade kvartsröret i en rörugn och värm till 400 °C med en hastighet av 2–3 °C/min. Håll temperaturen i 12 timmar för att möjliggöra en initial reaktion mellan zink och tellur.
2. Andra uppvärmningssteget: Fortsätt uppvärmningen till 950–1050 °C (under kvartsens mjukningspunkt på 1100 °C) med 1–2 °C/min, håll i 24–48 timmar.
3. Rörvaggning: Under högtemperaturstadiet, luta ugnen 45° varannan timme och gunga flera gånger för att säkerställa noggrann blandning av reaktanterna.
4. Kylning: Efter avslutad reaktion, kyl långsamt till rumstemperatur med 0,5–1 °C/min för att förhindra att provet spricker på grund av termisk stress.

2.2.5 Produktbearbetning

1. Produktborttagning: Öppna kvartsröret i en handskfack och ta bort reaktionsprodukten.
2. Malning: Mal produkten till pulver för att avlägsna eventuella oreagerade material.
3. Glödgning: Glödga pulvret vid 600 °C under argonatmosfär i 8 timmar för att lindra inre spänningar och förbättra kristalliniteten.
4. Karakterisering: Utför XRD, SEM, EDS etc. för att bekräfta fasens renhet och kemiska sammansättning.

2.3 Processparameteroptimering

1. Temperaturkontroll: Optimal reaktionstemperatur är 1000 ± 20 °C. Lägre temperaturer kan resultera i ofullständig reaktion, medan högre temperaturer kan orsaka zinkförångning.
2. Tidskontroll: Väntetiden bör vara ≥24 timmar för att säkerställa fullständig reaktion.
3. Kylningshastighet: Långsam kylning (0,5–1 °C/min) ger större kristallkorn.

2.4 Analys av fördelar och nackdelar

Fördelar:

• Enkel process, låga utrustningskrav
• Lämplig för batchproduktion
• Hög produktrenhet

Nackdelar:

• Hög reaktionstemperatur, hög energiförbrukning
• Icke-enhetlig kornstorleksfördelning
• Kan innehålla små mängder oreagerat material

3. Ångtransportmetod för ZnTe-syntes

3.1 Princip

Ångtransportmetoden använder en bärgas för att transportera reaktantångor till en lågtemperaturzon för avsättning, vilket uppnår riktad tillväxt av ZnTe genom att kontrollera temperaturgradienter. Jod används vanligtvis som transportmedel:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Detaljerat förfarande

3.2.1 Råmaterialberedning

1. Materialval: Använd ZnTe-pulver med hög renhet (renhet ≥99,999 %) eller stökiometriskt blandade Zn- och Te-pulver.
2. Beredning av transportmedel: Högrena jodkristaller (renhet ≥99,99 %), dosering av 5–10 mg/cm³ reaktionsrörsvolym.
3. Behandling av kvartsrör: Samma som fastfasreaktionsmetoden, men längre kvartsrör (300-400 mm) krävs.

3.2.2 Rörbelastning

1. Materialplacering: Placera ZnTe-pulver eller Zn+Te-blandning i ena änden av kvartsröret.
2. Jodtillsats: Tillsätt jodkristaller till kvartsröret i en handskfack.
3. Evakuering: Evakuera till ≤10⁻³Pa.
4. Tätning: Täta med en väte-syre-låga, håll röret horisontellt.

3.2.3 Inställning av temperaturgradient

1. Temperatur i varmzon: ​​Ställ in på 850–900 °C.
2. Temperatur i kallzonen: Ställ in på 750–800 °C.
3. Gradientzonens längd: Cirka 100–150 mm.

3.2.4 Tillväxtprocessen

1. Första steget: Värm till 500 °C vid 3 °C/min, håll i 2 timmar för att möjliggöra en initial reaktion mellan jod och råmaterial.
2. Andra steget: Fortsätt uppvärmningen till inställd temperatur, bibehåll temperaturgradienten och odla i 7–14 dagar.
3. Kylning: Efter avslutad tillväxt, kyl till rumstemperatur med 1 °C/min.

3.2.5 Produktinsamling

1. Röröppning: Öppna kvartsröret i ett handskfack.
2. Insamling: Samla ZnTe-enkristaller vid den kalla änden.
3. Rengöring: Ultraljudsrengör med vattenfri etanol i 5 minuter för att avlägsna ytadsorberad jod.

3.3 Processkontrollpunkter

1. Kontroll av jodmängd: Jodkoncentrationen påverkar transporthastigheten; optimalt intervall är 5–8 mg/cm³.
2. Temperaturgradient: Bibehåll gradienten inom 50–100 °C.
3. Tillväxttid: Vanligtvis 7–14 dagar, beroende på önskad kristallstorlek.

3.4 För- och nackdelsanalys

Fördelar:

• Högkvalitativa enkristaller kan erhållas
• Större kristallstorlekar
• Hög renhet

Nackdelar:

• Långa tillväxtcykler
• Höga krav på utrustning
• Låg avkastning

4. Lösningsbaserad metod för syntes av ZnTe-nanomaterial

4.1 Princip

Lösningsbaserade metoder kontrollerar prekursorreaktioner i lösning för att framställa ZnTe-nanopartiklar eller nanotrådar. En typisk reaktion är:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Detaljerat förfarande

4.2.1 Reagensberedning

1. Zinkkälla: Zinkacetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), renhet ≥99,99 %.
2. Telluriumkälla: Tellurdioxid (TeO₂), renhet ≥99,99 %.
3. Reduktionsmedel: Natriumborhydrid (NaBH₄), renhet ≥98 %.
4. Lösningsmedel: Avjoniserat vatten, etylendiamin, etanol.
5. Tensid: Cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB).

4.2.2 Framställning av tellurprekursor

1. Lösningsberedning: Lös upp 0,1 mmol TeO₂ i 20 ml avjoniserat vatten.
2. Reduktionsreaktion: Tillsätt 0,5 mmol NaBH₄, rör om magnetiskt i 30 minuter för att generera HTe⁻-lösning.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)3 + 3H₂↑
3. Skyddande atmosfär: Bibehåll kväveflödet genomgående för att förhindra oxidation.

4.2.3 Syntes av ZnTe-nanopartiklar

1. Beredning av zinklösning: Lös upp 0,1 mmol zinkacetat i 30 ml etylendiamin.
2. Blandningsreaktion: Tillsätt långsamt HTe⁻-lösningen till zinklösningen, låt reagera vid 80 °C i 6 timmar.
3. Centrifugering: Efter reaktionen, centrifugera vid 10 000 rpm i 10 minuter för att samla upp produkten.
4. Tvätt: Växla mellan etanol och avjoniserat vatten tre gånger.
5. Torkning: Vakuumtorka vid 60°C i 6 timmar.

4.2.4 Syntes av ZnTe-nanotrådar

1. Malltillsats: Tillsätt 0,2 g CTAB till zinklösningen.
2. Hydrotermisk reaktion: Överför den blandade lösningen till en 50 ml teflonbeklädd autoklav, låt reagera vid 180 °C i 12 timmar.
3. Efterbehandling: Samma som för nanopartiklar.

4.3 Processparameteroptimering

1. Temperaturkontroll: 80–90 °C för nanopartiklar, 180–200 °C för nanotrådar.
2. pH-värde: Håll mellan 9-11.
3. Reaktionstid: 4–6 timmar för nanopartiklar, 12–24 timmar för nanotrådar.

4.4 Analys av fördelar och nackdelar

Fördelar:

• Lågtemperaturreaktion, energibesparande
• Kontrollerbar morfologi och storlek
• Lämplig för storskalig produktion

Nackdelar:

• Produkter kan innehålla föroreningar
• Kräver efterbehandling
• Lägre kristallkvalitet

5. Molekylstråleepitaxi (MBE) för ZnTe-tunnfilmsberedning

5.1 Princip

MBE odlar ZnTe-enkristall-tunnfilmer genom att rikta molekylära strålar av Zn och Te mot ett substrat under ultrahöga vakuumförhållanden, och exakt kontrollera strålflödesförhållanden och substrattemperatur.

5.2 Detaljerat förfarande

5.2.1 Systemförberedelse

1. Vakuumsystem: Basvakuum ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Källförberedelse:
   • Zinkkälla: 6N högrent zink i BN-degel.
   • Tellurkälla: 6N högrent tellur i PBN-degel.
3. Substratberedning:
   • Vanligt använt GaAs(100)-substrat.
   • Substratrengöring: Rengöring med organiska lösningsmedel → syraetsning → sköljning med avjoniserat vatten → kvävgastorkning.

5.2.2 Tillväxtprocessen

1. Substratutgasning: Grädda vid 200 °C i 1 timme för att avlägsna ytadsorbater.
2. Oxidborttagning: Värm till 580 °C, håll i 10 minuter för att avlägsna ytoxider.
3. Buffertlagertillväxt: Kyl till 300 °C, odla ett 10 nm ZnTe-buffertlager.
4. Huvudsaklig tillväxt:
   • Substrattemperatur: 280–320 °C.
   • Ekvivalent tryck för zinkbalk: 1×10⁻⁶Torr.
   • Telluriumstråleekvivalenttryck: 2×10⁻⁶Torr.
   • V/III-förhållandet kontrollerat vid 1,5–2,0.
   • Tillväxthastighet: 0,5-1 μm/h.
5. Glödgning: Efter tillväxt, glödga vid 250 °C i 30 minuter.

5.2.3 Övervakning på plats

1. RHEED-övervakning: Realtidsobservation av ytrekonstruktion och tillväxtläge.
2. Masspektrometri: Övervaka molekylära strålintensiteter.
3. Infraröd termometri: Exakt kontroll av substrattemperaturen.

5.3 Processkontrollpunkter

1. Temperaturkontroll: Substrattemperaturen påverkar kristallkvaliteten och ytans morfologi.
2. Strålflödesförhållande: Te/Zn-förhållandet påverkar defekttyper och koncentrationer.
3. Tillväxthastighet: Lägre hastigheter förbättrar kristallkvaliteten.

5.4 Analys av fördelar och nackdelar

Fördelar:

• Exakt sammansättning och dopningskontroll.
• Högkvalitativa enkristallfilmer.
• Atomiskt plana ytor är möjliga.

Nackdelar:

• Dyr utrustning.
• Långsam tillväxttakt.
• Kräver avancerade operativa färdigheter.

6. Andra syntesmetoder

6.1 Kemisk ångdeponering (CVD)

1. Prekursorer: Dietylzink (DEZn) och diisopropyltellurid (DIPTe).
2. Reaktionstemperatur: 400–500 °C.
3. Bärgas: Högrent kväve eller väte.
4. Tryck: Atmosfäriskt eller lågt tryck (10–100 Torr).

6.2 Termisk avdunstning

1. Källmaterial: ZnTe-pulver med hög renhet.
2. Vakuumnivå: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Avdunstningstemperatur: 1000-1100°C.
4. Substrattemperatur: 200–300 °C.

7. Slutsats

Det finns olika metoder för att syntetisera zinktellurid, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Fastfasreaktion är lämplig för framställning av bulkmaterial, ångtransport ger högkvalitativa enkristaller, lösningsmetoder är idealiska för nanomaterial och MBE används för högkvalitativa tunna filmer. Praktiska tillämpningar bör välja lämplig metod baserat på krav, med strikt kontroll av processparametrar för att erhålla högpresterande ZnTe-material. Framtida inriktningar inkluderar lågtemperatursyntes, morfologikontroll och optimering av dopningsprocesser.