1. Johdanto

Sinkkitelluridi (ZnTe) on tärkeä II-VI-ryhmän puolijohdemateriaali, jolla on suora energiavyön rakenne. Huoneenlämmössä sen energiavyö on noin 2,26 eV, ja sitä käytetään laajalti optoelektronisissa laitteissa, aurinkokennoissa, säteilyilmaisimissa ja muilla aloilla. Tässä artikkelissa esitellään yksityiskohtaisesti erilaisia ​​sinkkitelluridin synteesiprosesseja, mukaan lukien kiinteän olomuodon reaktio, höyryn kuljetus, liuospohjaiset menetelmät, molekyylisuihkuepitaksi jne. Jokainen menetelmä selitetään perusteellisesti sen periaatteiden, menetelmien, etujen ja haittojen sekä keskeisten huomioiden osalta.

2. Kiinteän olomuodon reaktiomenetelmä ZnTe-synteesille

2.1 Periaate

Kiinteän olomuodon reaktiomenetelmä on perinteisin lähestymistapa sinkkitelluridin valmistukseen, jossa erittäin puhdas sinkki ja telluuri reagoivat suoraan korkeissa lämpötiloissa muodostaen ZnTe:tä:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Yksityiskohtainen menettely

2.2.1 Raaka-aineiden valmistelu

1. Materiaalin valinta: Käytä lähtöaineina erittäin puhtaita sinkkirakeita ja telluurimöykkyjä, joiden puhtaus on ≥99,999 %.
2. Materiaalin esikäsittely:
   • Sinkkikäsittely: Upota ensin laimeaan suolahappoon (5 %) 1 minuutiksi pintaoksidien poistamiseksi, huuhtele deionisoidulla vedellä, pese vedettömällä etanolilla ja lopuksi kuivaa tyhjiöuunissa 60 °C:ssa 2 tuntia.
   • Telluurikäsittely: Upota ensin kuningasveteen (HNO₃:HCl=1:3) 30 sekunniksi pintaoksidien poistamiseksi, huuhtele deionisoidulla vedellä neutraaliksi, pese vedettömällä etanolilla ja lopuksi kuivaa tyhjiöuunissa 80 °C:ssa 3 tuntia.
3. Punnitus: Raaka-aineet punnitaan stoikiometrisessä suhteessa (Zn:Te = 1:1). Sinkin mahdollinen haihtuminen korkeissa lämpötiloissa huomioon ottaen sinkkiä voidaan lisätä 2–3 % ylimäärä.

2.2.2 Materiaalien sekoittaminen

1. Jauhaminen ja sekoittaminen: Aseta punnittu sinkki ja telluuri akaattimortteliin ja jauha 30 minuuttia argonilla täytetyssä hansikaskaapissa, kunnes seos on tasaista.
2. Pelletointi: Sekoitettu jauhe kaadetaan muottiin ja puristetaan 10–20 mm:n läpimittaisiksi pelleteiksi 10–15 MPa:n paineessa.

2.2.3 Reaktioastian valmistelu

1. Kvartsiputkien käsittely: Valitse erittäin puhtaita kvartsiputkia (sisähalkaisija 20–30 mm, seinämän paksuus 2–3 mm), liota niitä ensin kuningasvedessä 24 tuntia, huuhtele huolellisesti deionisoidulla vedellä ja kuivaa uunissa 120 °C:ssa.
2. Tyhjiöinti: Aseta raaka-ainepelletit kvartsiputkeen, kytke tyhjiöjärjestelmään ja tyhjennä ≤10⁻³Pa:n paineeseen.
3. Tiivistys: Sulje kvartsiputki vety-happiliekillä varmistaen, että tiivistyspituus on ≥50 mm ilmatiiviyden varmistamiseksi.

2.2.4 Korkean lämpötilan reaktio

1. Ensimmäinen lämmitysvaihe: Aseta suljettu kvartsiputki putkiuuniin ja kuumenna 400 °C:een nopeudella 2–3 °C/min, pidä lämpötilassa 12 tuntia, jotta sinkin ja telluurin välinen alkureaktio voi tapahtua.
2. Toinen lämmitysvaihe: Jatka lämmitystä 950–1050 °C:een (kvartsin pehmenemispisteen 1100 °C alapuolelle) nopeudella 1–2 °C/min ja pidä tämä lämpötila 24–48 tuntia.
3. Putken keinutus: Korkean lämpötilan vaiheessa kallista uunia 45° kahden tunnin välein ja keinuta useita kertoja, jotta reagoivat aineet sekoittuvat perusteellisesti.
4. Jäähdytys: Reaktion päätyttyä jäähdytä hitaasti huoneenlämpöiseksi nopeudella 0,5–1 °C/min näytteen halkeilun estämiseksi lämpöjännityksen vuoksi.

2.2.5 Tuotteen käsittely

1. Tuotteen poistaminen: Avaa kvartsiputki hansikaskaapissa ja poista reaktiotuote.
2. Jauhaminen: Jauha tuote uudelleen jauheeksi poistaaksesi reagoimattomat ainekset.
3. Hehkutus: Hehkuta jauhetta 600 °C:ssa argonatmosfäärissä 8 tunnin ajan sisäisen jännityksen lievittämiseksi ja kiteisyyden parantamiseksi.
4. Karakterisointi: Suorita XRD, SEM, EDS jne. faasin puhtauden ja kemiallisen koostumuksen varmistamiseksi.

2.3 Prosessiparametrien optimointi

1. Lämpötilan säätö: Optimaalinen reaktiolämpötila on 1000 ± 20 °C. Alhaisemmat lämpötilat voivat johtaa epätäydelliseen reaktioon, kun taas korkeammat lämpötilat voivat aiheuttaa sinkin haihtumista.
2. Ajan hallinta: Vaikutusajan tulisi olla ≥24 tuntia täydellisen reaktion varmistamiseksi.
3. Jäähdytysnopeus: Hidas jäähdytys (0,5–1 °C/min) tuottaa suurempia kidejyviä.

2.4 Etujen ja haittojen analyysi

Edut:

• Yksinkertainen prosessi, vähäinen laitetarve
• Sopii erätuotantoon
• Korkea tuotteen puhtaus

Haittoja:

• Korkea reaktiolämpötila, korkea energiankulutus
• Epätasainen raekokojakauma
• Saattaa sisältää pieniä määriä reagoimattomia aineita

3. Höyrynsiirtomenetelmä ZnTe-synteesille

3.1 Periaate

Höyrynsiirtomenetelmässä käytetään kantajakaasua reagoivien höyryjen kuljettamiseen matalan lämpötilan vyöhykkeelle laskeutumista varten, jolloin ZnTe:n suuntainen kasvu saavutetaan säätelemällä lämpötilagradienttia. Jodia käytetään yleisesti kuljetusaineena:

ZnTe(s) + I2(g) ⇌ ZnI2(g) + 1/2Te2(g)

3.2 Yksityiskohtainen menettely

3.2.1 Raaka-aineiden valmistelu

1. Materiaalin valinta: Käytä erittäin puhdasta ZnTe-jauhetta (puhtaus ≥99,999 %) tai stoikiometrisesti sekoitettuja Zn- ja Te-jauheita.
2. Kuljetusaineen valmistus: Erittäin puhtaita jodikiteitä (puhtaus ≥99,99 %), annostus 5–10 mg/cm³ reaktioputken tilavuutta.
3. Kvartsiputkikäsittely: Sama kuin kiinteän olomuodon reaktiomenetelmä, mutta tarvitaan pidempiä kvartsiputkia (300–400 mm).

3.2.2 Putken lastaus

1. Materiaalin sijoittelu: Aseta ZnTe-jauhe tai Zn+Te-seos kvartsiputken toiseen päähän.
2. Jodin lisäys: Lisää jodikiteitä kvartsiputkeen hansikaskaapissa.
3. Tyhjennys: Tyhjennä paineeseen ≤10⁻³Pa.
4. Tiivistys: Sulje vety-happiliekillä pitäen putkea vaakasuorassa.

3.2.3 Lämpötilagradientin määritys

1. Kuuman alueen lämpötila: Aseta 850–900 °C:een.
2. Kylmän vyöhykkeen lämpötila: Aseta 750–800 °C:een.
3. Kaltevuusvyöhykkeen pituus: Noin 100–150 mm.

3.2.4 Kasvuprosessi

1. Ensimmäinen vaihe: Kuumenna 500 °C:een nopeudella 3 °C/min ja pidä 2 tuntia, jotta jodi ja raaka-aineet alkavat reagoida.
2. Toinen vaihe: Jatka lämmittämistä asetettuun lämpötilaan, ylläpidä lämpötilagradienttia ja kasvata 7–14 päivää.
3. Jäähdytys: Kasvun päätyttyä jäähdytä huoneenlämpöiseksi nopeudella 1 °C/min.

3.2.5 Tuotekokoelma

1. Putken avaaminen: Avaa kvartsiputki hansikaslokerossa.
2. Keräys: Kerää ZnTe-yksittäiskiteet kylmästä päästä.
3. Puhdistus: Puhdista ultraäänellä vedettömällä etanolilla 5 minuutin ajan pinnalle adsorboitunut jodi poistaaksesi.

3.3 Prosessin valvontapisteet

1. Jodimäärän hallinta: Jodipitoisuus vaikuttaa kuljetusnopeuteen; optimaalinen alue on 5–8 mg/cm³.
2. Lämpötilagradientti: Pidä gradientti 50–100 °C:n välillä.
3. Kasvuaika: Tyypillisesti 7–14 päivää halutusta kidekoosta riippuen.

3.4 Etujen ja haittojen analyysi

Edut:

• Korkealaatuisia yksittäisiä kiteitä voidaan saada
• Suuremmat kidekoot
• Korkea puhtausaste

Haittoja:

• Pitkät kasvusyklit
• Korkeat laitevaatimukset
• Alhainen saanto

4. Liuospohjainen menetelmä ZnTe-nanomateriaalien synteesille

4.1 Periaate

Liuospohjaiset menetelmät kontrolloivat liuoksessa olevia lähtöreaktioita ZnTe-nanohiukkasten tai nanolankojen valmistamiseksi. Tyypillinen reaktio on:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Yksityiskohtainen menettely

4.2.1 Reagenssien valmistus

1. Sinkin lähde: Sinkkiasetaatti (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), puhtaus ≥99,99 %.
2. Telluurin lähde: Telluuridioksidi (TeO₂), puhtaus ≥99,99 %.
3. Pelkistin: Natriumboorihydridi (NaBH₄), puhtaus ≥98 %.
4. Liuottimet: Deionisoitu vesi, etyleenidiamiini, etanoli.
5. Pinta-aktiivinen aine: setyylitrimetyyliammoniumbromidi (CTAB).

4.2.2 Telluurin esiasteen valmistus

1. Liuoksen valmistus: Liuota 0,1 mmol TeO₂:ta 20 ml:aan deionisoitua vettä.
2. Pelkistysreaktio: Lisää 0,5 mmol NaBH₄:tä ja sekoita magneettisesti 30 minuuttia HTe⁻-liuoksen muodostamiseksi.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H2O → HTe⁻ + 3B(OH)3 + 3H₂↑
3. Suojaava ilmakehä: Pidä typpivirtaus yllä koko ajan hapettumisen estämiseksi.

4.2.3 ZnTe-nanohiukkasten synteesi

1. Sinkkiliuoksen valmistus: Liuota 0,1 mmol sinkkiasetaattia 30 ml:aan etyleenidiamiinia.
2. Sekoitusreaktio: Lisää HTe⁻-liuosta hitaasti sinkkiliuokseen ja anna reagoida 80 °C:ssa 6 tuntia.
3. Sentrifugointi: Reaktion jälkeen sentriföi nopeudella 10 000 rpm 10 minuuttia tuotteen keräämiseksi.
4. Pesu: Vuorottele pesua etanolilla ja deionisoidulla vedellä kolme kertaa.
5. Kuivaus: Tyhjiökuivaa 60 °C:ssa 6 tuntia.

4.2.4 ZnTe-nanokannan synteesi

1. Mallin lisäys: Lisää 0,2 g CTAB:tä sinkkiliuokseen.
2. Hydroterminen reaktio: Siirrä sekoitettu liuos 50 ml:n teflonilla vuorattuun autoklaaviin ja anna reagoida 180 °C:ssa 12 tuntia.
3. Jälkikäsittely: Sama kuin nanopartikkeleilla.

4.3 Prosessiparametrien optimointi

1. Lämpötilan säätö: 80–90 °C nanopartikkeleille, 180–200 °C nanolangoille.
2. pH-arvo: Pidä 9–11 välillä.
3. Reaktioaika: 4–6 tuntia nanopartikkeleille, 12–24 tuntia nanolangoille.

4.4 Etujen ja haittojen analyysi

Edut:

• Matalan lämpötilan reaktio, energiansäästö
• Hallittava morfologia ja koko
• Sopii laajamittaiseen tuotantoon

Haittoja:

• Tuotteet voivat sisältää epäpuhtauksia
• Vaatii jälkikäsittelyä
• Alempi kristallinlaatu

5. Molekyylisuihkuepitaksi (MBE) ZnTe-ohutkalvojen valmistuksessa

5.1 Periaate

MBE kasvattaa ZnTe-yksikiteisiä ohutkalvoja ohjaamalla Zn- ja Te-molekyylisuihkuja substraatille erittäin korkeassa tyhjiössä, tarkasti säätäen suihkuvirtaussuhteita ja substraatin lämpötilaa.

5.2 Yksityiskohtainen menettely

5.2.1 Järjestelmän valmistelu

1. Tyhjiöjärjestelmä: Perustyhjiö ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Lähteen valmistelu:
   • Sinkin lähde: 6N erittäin puhdasta sinkkiä BN-upokkaassa.
   • Telluurin lähde: 6N erittäin puhdasta telluuria PBN-upokkaassa.
3. Alustan valmistelu:
   • Yleisesti käytetty GaAs(100)-substraatti.
   • Alustan puhdistus: Orgaanisen liuottimen puhdistus → happoetsaus → deionisoidun veden huuhtelu → typpikuivaus.

5.2.2 Kasvuprosessi

1. Alustan kaasunpoisto: Paista 200 °C:ssa 1 tunnin ajan pinnalle adsorboituneiden aineiden poistamiseksi.
2. Oksidinpoisto: Kuumenna 580 °C:een, pidä 10 minuuttia pinnan oksidien poistamiseksi.
3. Puskurikerroksen kasvu: Jäähdytä 300°C:een, kasvata 10 nm:n ZnTe-puskurikerros.
4. Pääkasvu:
   • Alustan lämpötila: 280–320 °C.
   • Sinkkipalkin ekvivalenttipaine: 1 × 10⁻⁶Torr.
   • Telluurisuihkun ekvivalenttipaine: 2 × 10⁻⁶Torr.
   • V/III-suhde säädetty välille 1,5–2,0.
   • Kasvunopeus: 0,5–1 μm/h.
5. Hehkutus: Kasvatuksen jälkeen hehkuta 250 °C:ssa 30 minuuttia.

5.2.3 Paikan päällä tapahtuva seuranta

1. RHEED-seuranta: Pinnan rekonstruoinnin ja kasvutilan reaaliaikainen havainnointi.
2. Massaspektrometria: Seuraa molekyylisuihkun intensiteettejä.
3. Infrapunalämpömittaus: Tarkka alustan lämpötilan säätö.

5.3 Prosessin valvontapisteet

1. Lämpötilan säätö: Alustan lämpötila vaikuttaa kiteiden laatuun ja pinnan morfologiaan.
2. Sädevuon suhde: Te/Zn-suhde vaikuttaa vikatyyppeihin ja -pitoisuuksiin.
3. Kasvunopeus: Alhaisemmat nopeudet parantavat kiteiden laatua.

5.4 Etujen ja haittojen analyysi

Edut:

• Tarkka koostumus ja dopingvalvonta.
• Korkealaatuiset yksikiteiset kalvot.
• Atomaarisesti tasaiset pinnat saavutettavissa.

Haittoja:

• Kalliit laitteet.
• Hidas kasvuvauhti.
• Edellyttää edistyneitä operatiivisia taitoja.

6. Muut synteesimenetelmät

6.1 Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD)

1. Lähtöaineet: dietyylisinkki (DEZn) ja di-isopropyylitelluridi (DIPTe).
2. Reaktiolämpötila: 400–500 °C.
3. Kantokaasu: Erittäin puhdasta typpeä tai vetyä.
4. Paine: Ilmakehän paine tai matalapaine (10–100 torria).

6.2 Terminen haihtuminen

1. Lähdemateriaali: Erittäin puhdasta ZnTe-jauhetta.
2. Tyhjiötaso: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Haihtumislämpötila: 1000–1100 °C.
4. Alustan lämpötila: 200–300 °C.

7. Johtopäätös

Sinkkitelluridin syntetisoimiseksi on olemassa useita menetelmiä, joilla jokaisella on omat etunsa ja haittansa. Kiinteän olomuodon reaktio soveltuu massamateriaalien valmistukseen, höyrykuljetus tuottaa korkealaatuisia yksittäiskiteitä, liuosmenetelmät ovat ihanteellisia nanomateriaaleille ja MBE:tä käytetään korkealaatuisten ohutkalvojen valmistukseen. Käytännön sovelluksissa tulisi valita sopiva menetelmä vaatimusten perusteella ja prosessiparametreja tarkasti kontrolloida, jotta saadaan korkean suorituskyvyn omaavia ZnTe-materiaaleja. Tulevaisuuden suuntiin kuuluvat matalan lämpötilan synteesi, morfologian hallinta ja dopingprosessin optimointi.