1. Innledning

Sinktellurid (ZnTe) er et viktig halvledermateriale i II-VI-gruppen med en direkte båndgapstruktur. Ved romtemperatur er båndgapet omtrent 2,26 eV, og det finner brede anvendelser i optoelektroniske enheter, solceller, strålingsdetektorer og andre felt. Denne artikkelen vil gi en detaljert introduksjon til ulike synteseprosesser for sinktellurid, inkludert faststoffreaksjon, damptransport, løsningsbaserte metoder, molekylærstråleepitaksi, etc. Hver metode vil bli grundig forklart med tanke på prinsipper, prosedyrer, fordeler og ulemper, og viktige hensyn.

2. Faststoffreaksjonsmetode for ZnTe-syntese

2.1 Prinsipp

Faststoffreaksjonsmetoden er den mest tradisjonelle tilnærmingen for å fremstille sinktellurid, der sink og tellur med høy renhet reagerer direkte ved høye temperaturer for å danne ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Detaljert prosedyre

2.2.1 Tilberedning av råmateriale

1. Materialvalg: Bruk sinkgranulat med høy renhet og tellurklumper med en renhet på ≥99,999 % som utgangsmaterialer.
2. Materialforbehandling:
   • Sinkbehandling: Senk først ned i fortynnet saltsyre (5 %) i 1 minutt for å fjerne overflateoksider, skyll med avionisert vann, vask med vannfri etanol og tørk til slutt i en vakuumovn ved 60 °C i 2 timer.
   • Tellurbehandling: Senk først ned i kongevann (HNO₃:HCl=1:3) i 30 sekunder for å fjerne overflateoksider, skyll med avionisert vann til nøytralitet, vask med vannfri etanol og tørk til slutt i en vakuumovn ved 80 °C i 3 timer.
3. Veiing: Vei råmaterialene i støkiometrisk forhold (Zn:Te=1:1). Med tanke på mulig sinkfordampning ved høye temperaturer, kan et overskudd på 2–3 % tilsettes.

2.2.2 Materialblanding

1. Maling og blanding: Plasser den veide sinken og telluren i en agatmorter og mal i 30 minutter i en argonfylt hanskeboks til blandingen er jevn.
2. Pelletisering: Plasser det blandede pulveret i en form og press det til pellets med diameter på 10–20 mm under et trykk på 10–15 MPa.

2.2.3 Klargjøring av reaksjonsbeholder

1. Behandling av kvartsrør: Velg kvartsrør med høy renhet (indre diameter 20–30 mm, veggtykkelse 2–3 mm), legg dem først i bløt i kongevann i 24 timer, skyll grundig med avionisert vann og tørk i en ovn ved 120 °C.
2. Evakuering: Plasser råmaterialpelletsene i kvartsrøret, koble til et vakuumsystem og evakuer til ≤10⁻³Pa.
3. Tetting: Tett kvartsrøret med en hydrogen-oksygenflamme, og sørg for en tetningslengde på ≥50 mm for lufttetthet.

2.2.4 Høytemperaturreaksjon

1. Første oppvarmingstrinn: Plasser det forseglede kvartsrøret i en rørovn og varm opp til 400 °C med en hastighet på 2–3 °C/min. Hold temperaturen i 12 timer for å tillate en innledende reaksjon mellom sink og tellur.
2. Andre oppvarmingstrinn: Fortsett oppvarmingen til 950–1050 °C (under kvartsmykningspunktet på 1100 °C) ved 1–2 °C/min, og hold i 24–48 timer.
3. Rørvipping: I løpet av høytemperaturfasen, vipp ovnen til 45° hver 2. time og vipp den flere ganger for å sikre grundig blanding av reaktantene.
4. Avkjøling: Etter at reaksjonen er fullført, avkjøl sakte til romtemperatur med 0,5–1 °C/min for å forhindre at prøven sprekker på grunn av termisk stress.

2.2.5 Produktbehandling

1. Fjerning av produkt: Åpne kvartsrøret i en hanskeboks og fjern reaksjonsproduktet.
2. Maling: Mal produktet til pulver for å fjerne ureagerte materialer.
3. Gløding: Glød pulveret ved 600 °C under argonatmosfære i 8 timer for å avlaste indre spenninger og forbedre krystalliniteten.
4. Karakterisering: Utfør XRD, SEM, EDS, osv. for å bekrefte faserens renhet og kjemisk sammensetning.

2.3 Optimalisering av prosessparametere

1. Temperaturkontroll: Optimal reaksjonstemperatur er 1000 ± 20 °C. Lavere temperaturer kan føre til ufullstendig reaksjon, mens høyere temperaturer kan forårsake sinkfordampning.
2. Tidskontroll: Holdetiden bør være ≥24 timer for å sikre fullstendig reaksjon.
3. Avkjølingshastighet: Langsom avkjøling (0,5–1 °C/min) gir større krystallkorn.

2.4 Analyse av fordeler og ulemper

Fordeler:

• Enkel prosess, lavt utstyrskrav
• Egnet for batchproduksjon
• Høy produktrenhet

Ulemper:

• Høy reaksjonstemperatur, høyt energiforbruk
• Ikke-jevn kornstørrelsesfordeling
• Kan inneholde små mengder ureagerte materialer

3. Damptransportmetode for ZnTe-syntese

3.1 Prinsipp

Damptransportmetoden bruker en bærergass til å transportere reaktantdamper til en lavtemperatursone for avsetning, og oppnår retningsbestemt vekst av ZnTe ved å kontrollere temperaturgradienter. Jod brukes ofte som transportmiddel:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Detaljert prosedyre

3.2.1 Tilberedning av råmateriale

1. Materialvalg: Bruk ZnTe-pulver med høy renhet (renhet ≥99,999 %) eller støkiometrisk blandede Zn- og Te-pulvere.
2. Transportmiddelfremstilling: Høyrenhetsjodkrystaller (renhet ≥99,99 %), dosering på 5–10 mg/cm³ reaksjonsrørvolum.
3. Behandling av kvartsrør: Samme som faststoffreaksjonsmetoden, men lengre kvartsrør (300–400 mm) er nødvendig.

3.2.2 Rørbelastning

1. Materialplassering: Plasser ZnTe-pulver eller Zn+Te-blanding i den ene enden av kvartsrøret.
2. Jodtilsetning: Tilsett jodkrystaller til kvartsrøret i en hanskeboks.
3. Evakuering: Evakuer til ≤10⁻³Pa.
4. Tetting: Tett med en hydrogen-oksygenflamme, og hold røret horisontalt.

3.2.3 Oppsett av temperaturgradient

1. Temperatur i varm sone: Still inn til 850–900 °C.
2. Temperatur i kald sone: Still inn til 750–800 °C.
3. Lengde på gradientsone: Omtrent 100–150 mm.

3.2.4 Vekstprosess

1. Første trinn: Varm opp til 500 °C ved 3 °C/min, hold i 2 timer for å tillate en innledende reaksjon mellom jod og råmaterialer.
2. Andre trinn: Fortsett oppvarmingen til innstilt temperatur, oppretthold temperaturgradienten og dyrk i 7–14 dager.
3. Avkjøling: Etter fullført vekst, avkjøl til romtemperatur med 1 °C/min.

3.2.5 Produktsamling

1. Røråpning: Åpne kvartsrøret i en hanskeboks.
2. Innsamling: Samle ZnTe-enkeltkrystaller i den kalde enden.
3. Rengjøring: Ultralydrengjør med vannfri etanol i 5 minutter for å fjerne overflateadsorbert jod.

3.3 Prosesskontrollpunkter

1. Kontroll av jodmengde: Jodkonsentrasjonen påvirker transporthastigheten; optimalt område er 5–8 mg/cm³.
2. Temperaturgradient: Hold gradienten innenfor 50–100 °C.
3. Veksttid: Vanligvis 7–14 dager, avhengig av ønsket krystallstørrelse.

3.4 Analyse av fordeler og ulemper

Fordeler:

• Høykvalitets enkeltkrystaller kan oppnås
• Større krystallstørrelser
• Høy renhet

Ulemper:

• Lange vekstsykluser
• Høye krav til utstyr
• Lav avkastning

4. Løsningsbasert metode for syntese av ZnTe-nanomaterialer

4.1 Prinsipp

Løsningsbaserte metoder kontrollerer forløperreaksjoner i løsning for å fremstille ZnTe-nanopartikler eller nanotråder. En typisk reaksjon er:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Detaljert prosedyre

4.2.1 Reagensforberedelse

1. Sinkkilde: Sinkacetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), renhet ≥99,99 %.
2. Telluriumkilde: Tellurdioksid (TeO₂), renhet ≥99,99 %.
3. Reduksjonsmiddel: Natriumborhydrid (NaBH₄), renhet ≥98 %.
4. Løsemidler: Avionisert vann, etylendiamin, etanol.
5. Surfaktant: Cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB).

4.2.2 Fremstilling av tellurforløper

1. Løsningsforberedelse: Løs opp 0,1 mmol TeO₂ i 20 ml avionisert vann.
2. Reduksjonsreaksjon: Tilsett 0,5 mmol NaBH₄, rør magnetisk i 30 minutter for å generere HTe⁻-løsning.
   TeO₂ + 3BH4⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)3 + 3H₂↑
3. Beskyttende atmosfære: Oppretthold nitrogentilførsel gjennom hele prosessen for å forhindre oksidasjon.

4.2.3 Syntese av ZnTe-nanopartikler

1. Tilberedning av sinkløsning: Løs opp 0,1 mmol sinkacetat i 30 ml etylendiamin.
2. Blandereaksjon: Tilsett HTe⁻-løsningen sakte til sinkløsningen, og la den reagere ved 80 °C i 6 timer.
3. Sentrifugering: Etter reaksjon, sentrifuger ved 10 000 o/min i 10 minutter for å samle opp produktet.
4. Vasking: Vekslevis vask med etanol og avionisert vann tre ganger.
5. Tørking: Støvsugertørk ved 60 °C i 6 timer.

4.2.4 Syntese av ZnTe-nanotråder

1. Maltilsetning: Tilsett 0,2 g CTAB til sinkløsningen.
2. Hydrotermisk reaksjon: Overfør den blandede løsningen til en 50 ml teflonforet autoklav, og la den reagere ved 180 °C i 12 timer.
3. Etterbehandling: Samme som for nanopartikler.

4.3 Optimalisering av prosessparametere

1. Temperaturkontroll: 80–90 °C for nanopartikler, 180–200 °C for nanotråder.
2. pH-verdi: Oppretthold mellom 9-11.
3. Reaksjonstid: 4–6 timer for nanopartikler, 12–24 timer for nanotråder.

4.4 Analyse av fordeler og ulemper

Fordeler:

• Lavtemperaturreaksjon, energisparende
• Kontrollerbar morfologi og størrelse
• Egnet for storskala produksjon

Ulemper:

• Produktene kan inneholde urenheter
• Krever etterbehandling
• Lavere krystallkvalitet

5. Molekylærstråleepitaksi (MBE) for ZnTe-tynnfilmpreparering

5.1 Prinsipp

MBE dyrker ZnTe-enkeltkrystalltynne filmer ved å rette molekylære stråler av Zn og Te mot et substrat under ultrahøye vakuumforhold, og nøyaktig kontrollere strålefluksforhold og substrattemperatur.

5.2 Detaljert prosedyre

5.2.1 Systemforberedelse

1. Vakuumsystem: Basisvakuum ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Kildeforberedelse:
   • Sinkkilde: 6N høyrenssink i BN-digel.
   • Tellurkilde: 6N tellur med høy renhet i PBN-digel.
3. Forberedelse av substrat:
   • Vanlig brukt GaAs(100)-substrat.
   • Rengjøring av substrat: Rengjøring med organisk løsemiddel → syreetsing → skylling med avionisert vann → nitrogentørking.

5.2.2 Vekstprosess

1. Substratavgassing: Stek ved 200 °C i 1 time for å fjerne overflateadsorbater.
2. Fjerning av oksid: Varm opp til 580 °C, hold i 10 minutter for å fjerne overflateoksider.
3. Bufferlagsvekst: Avkjøl til 300 °C, dyrk et 10 nm ZnTe-bufferlag.
4. Hovedvekst:
   • Underlagstemperatur: 280–320 °C.
   • Ekvivalent trykk for sinkstråle: 1×10⁻⁶Torr.
   • Tellurstråleekvivalent trykk: 2 × 10⁻⁶Torr.
   • V/III-forholdet kontrollert på 1,5–2,0.
   • Veksthastighet: 0,5–1 μm/t.
5. Gløding: Etter vekst, glød ved 250 °C i 30 minutter.

5.2.3 Overvåking på stedet

1. RHEED-overvåking: Sanntidsobservasjon av overflaterekonstruksjon og vekstmodus.
2. Massespektrometri: Overvåk molekylære stråleintensiteter.
3. Infrarød termometri: Presis kontroll av substrattemperaturen.

5.3 Prosesskontrollpunkter

1. Temperaturkontroll: Substrattemperaturen påvirker krystallkvaliteten og overflatemorfologien.
2. Strålefluksforhold: Te/Zn-forholdet påvirker defekttyper og -konsentrasjoner.
3. Veksthastighet: Lavere hastigheter forbedrer krystallkvaliteten.

5.4 Analyse av fordeler og ulemper

Fordeler:

• Presis sammensetning og dopingkontroll.
• Høykvalitets enkeltkrystallfilmer.
• Atomisk flate overflater oppnåelige.

Ulemper:

• Dyrt utstyr.
• Langsomme vekstrater.
• Krever avanserte operative ferdigheter.

6. Andre syntesemetoder

6.1 Kjemisk dampavsetning (CVD)

1. Forløpere: Dietylsink (DEZn) og diisopropyltellurid (DIPTe).
2. Reaksjonstemperatur: 400–500 °C.
3. Bæregass: Høyrent nitrogen eller hydrogen.
4. Trykk: Atmosfærisk eller lavt trykk (10–100 Torr).

6.2 Termisk fordampning

1. Kildemateriale: ZnTe-pulver med høy renhet.
2. Vakuumnivå: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Fordampningstemperatur: 1000–1100 °C.
4. Underlagstemperatur: 200–300 °C.

7. Konklusjon

Det finnes ulike metoder for å syntetisere sinktellurid, hver med sine egne fordeler og ulemper. Faststoffreaksjon er egnet for fremstilling av bulkmaterialer, damptransport gir enkeltkrystaller av høy kvalitet, løsningsmetoder er ideelle for nanomaterialer, og MBE brukes til tynne filmer av høy kvalitet. Praktiske anvendelser bør velge riktig metode basert på krav, med streng kontroll av prosessparametere for å oppnå ZnTe-materialer med høy ytelse. Fremtidige retninger inkluderer lavtemperatursyntese, morfologikontroll og optimalisering av dopingprosesser.