1. Uvod

Cink telurid (ZnTe) je važan poluprovodnički materijal II-VI grupe sa direktnom strukturom zabranjene zone. Na sobnoj temperaturi, njegova zabranjena zona je približno 2,26 eV, i nalazi široku primjenu u optoelektronskim uređajima, solarnim ćelijama, detektorima zračenja i drugim oblastima. Ovaj članak će pružiti detaljan uvod u različite procese sinteze cink telurida, uključujući reakcije u čvrstom stanju, transport pare, metode zasnovane na rastvorima, epitaksiju molekularnog snopa itd. Svaka metoda će biti detaljno objašnjena u smislu svojih principa, postupaka, prednosti i nedostataka, te ključnih razmatranja.

2. Metoda reakcije u čvrstom stanju za sintezu ZnTe

2.1 Princip

Metoda reakcije u čvrstom stanju je najtradicionalniji pristup za pripremu cink telurida, gdje visokočisti cink i telur direktno reaguju na visokim temperaturama formirajući ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Detaljan postupak

2.2.1 Priprema sirovina

1. Izbor materijala: Kao početne materijale koristiti granule cinka visoke čistoće i grudve telura čistoće ≥99,999%.
2. Prethodna obrada materijala:
   • Tretman cinkom: Prvo uronite u razrijeđenu hlorovodoničnu kiselinu (5%) na 1 minutu da biste uklonili površinske okside, isperite deioniziranom vodom, operite bezvodnim etanolom i na kraju sušite u vakuumskoj peći na 60°C tokom 2 sata.
   • Tretman telurijumom: Prvo uronite u carsku vodu (HNO₃:HCl=1:3) na 30 sekundi da biste uklonili površinske okside, isperite deionizovanom vodom dok ne postane neutralno, isperite bezvodnim etanolom i na kraju sušite u vakuumskoj peći na 80°C tokom 3 sata.
3. Vaganje: Sirovine se vagaju u stehiometrijskom omjeru (Zn:Te=1:1). S obzirom na moguće isparavanje cinka na visokim temperaturama, može se dodati 2-3% viška.

2.2.2 Miješanje materijala

1. Mljevenje i miješanje: Stavite izvagani cink i telur u agatni mužar i mljeti 30 minuta u komori za rukavice ispunjenoj argonom dok se ne pomiješaju jednolično.
2. Peletiranje: Stavite miješani prah u kalup i pritisnite u pelete promjera 10-20 mm pod pritiskom od 10-15 MPa.

2.2.3 Priprema reakcijske posude

1. Tretman kvarcnih cijevi: Odaberite kvarcne cijevi visoke čistoće (unutarnji promjer 20-30 mm, debljina stijenke 2-3 mm), prvo ih potopite u carsku vodu 24 sata, temeljito isperite deioniziranom vodom i osušite u pećnici na 120°C.
2. Vakuumiranje: Stavite pelete sirovine u kvarcnu cijev, spojite na vakuumski sistem i evakuirajte do ≤10⁻³Pa.
3. Zaptivanje: Zaptiti kvarcnu cijev plamenom vodonika i kiseonika, osiguravajući dužinu zaptivanja ≥50 mm radi hermetičnosti.

2.2.4 Reakcija na visokoj temperaturi

1. Prva faza zagrijavanja: Zatvorenu kvarcnu cijev staviti u cijevnu peć i zagrijavati na 400°C brzinom od 2-3°C/min, držeći 12 sati kako bi se omogućila početna reakcija između cinka i telura.
2. Druga faza zagrijavanja: Nastaviti zagrijavanje do 950-1050°C (ispod tačke omekšavanja kvarca od 1100°C) brzinom od 1-2°C/min, držeći 24-48 sati.
3. Ljuljanje cijevi: Tokom faze visoke temperature, nagnite peć na 45° svaka 2 sata i ljuljajte je nekoliko puta kako biste osigurali temeljito miješanje reaktanata.
4. Hlađenje: Nakon završetka reakcije, polako ohladite na sobnu temperaturu brzinom od 0,5-1°C/min kako biste spriječili pucanje uzorka usljed termičkog naprezanja.

2.2.5 Obrada proizvoda

1. Uklanjanje proizvoda: Otvorite kvarcnu cijev u kutiji za rukavice i uklonite produkt reakcije.
2. Mljevenje: Proizvod ponovo sameljite u prah kako biste uklonili sve nereagovane materijale.
3. Žarenje: Žariti prah na 600°C u atmosferi argona tokom 8 sati kako bi se ublažio unutrašnji napon i poboljšala kristalnost.
4. Karakterizacija: Izvršite XRD, SEM, EDS itd., kako biste potvrdili čistoću faze i hemijski sastav.

2.3 Optimizacija parametara procesa

1. Kontrola temperature: Optimalna temperatura reakcije je 1000±20°C. Niže temperature mogu rezultirati nepotpunom reakcijom, dok više temperature mogu uzrokovati isparavanje cinka.
2. Kontrola vremena: Vrijeme zadržavanja treba biti ≥24 sata kako bi se osigurala potpuna reakcija.
3. Brzina hlađenja: Sporo hlađenje (0,5-1°C/min) daje veća kristalna zrna.

2.4 Analiza prednosti i nedostataka

Prednosti:

• Jednostavan proces, niske potrebe za opremom
• Pogodno za serijsku proizvodnju
• Visoka čistoća proizvoda

Nedostaci:

• Visoka temperatura reakcije, velika potrošnja energije
• Neujednačena raspodjela veličine zrna
• Može sadržavati male količine nereagiranih materijala

3. Metoda transporta pare za sintezu ZnTe

3.1 Princip

Metoda transporta pare koristi noseći plin za transport para reaktanata u zonu niske temperature radi taloženja, postižući usmjereni rast ZnTe kontroliranjem temperaturnih gradijenata. Jod se obično koristi kao transportno sredstvo:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Detaljan postupak

3.2.1 Priprema sirovina

1. Izbor materijala: Koristite ZnTe prah visoke čistoće (čistoća ≥99,999%) ili stehiometrijski pomiješane Zn i Te prahove.
2. Priprema transportnog sredstva: Kristali joda visoke čistoće (čistoća ≥99,99%), doza od 5-10 mg/cm³ zapremine reakcijske epruvete.
3. Tretman kvarcnim cijevima: Isto kao i metoda reakcije u čvrstom stanju, ali su potrebne duže kvarcne cijevi (300-400 mm).

3.2.2 Punjenje cijevi

1. Postavljanje materijala: Stavite ZnTe prah ili smjesu Zn+Te na jedan kraj kvarcne cijevi.
2. Dodavanje joda: Dodajte kristale joda u kvarcnu cijev u kutiji za rukavice.
3. Evakuacija: Evakuirati do ≤10⁻³Pa.
4. Zaptivanje: Zaptivanje plamenom vodonika i kiseonika, držeći cijev horizontalno.

3.2.3 Podešavanje temperaturnog gradijenta

1. Temperatura vruće zone: Podesite na 850-900°C.
2. Temperatura hladne zone: Podesite na 750-800°C.
3. Dužina gradijentne zone: približno 100-150 mm.

3.2.4 Proces rasta

1. Prva faza: Zagrijavanje na 500°C brzinom od 3°C/min, držanje 2 sata kako bi se omogućila početna reakcija između joda i sirovina.
2. Druga faza: Nastaviti zagrijavanje do zadane temperature, održavati temperaturni gradijent i uzgajati 7-14 dana.
3. Hlađenje: Nakon završetka rasta, ohladiti na sobnu temperaturu brzinom od 1°C/min.

3.2.5 Prikupljanje proizvoda

1. Otvaranje cijevi: Otvorite kvarcnu cijev u pretincu za rukavice.
2. Sakupljanje: Sakupite monokristale ZnTe na hladnom kraju.
3. Čišćenje: Ultrazvučno očistite bezvodnim etanolom 5 minuta kako biste uklonili jod adsorbovan na površini.

3.3 Kontrolne tačke procesa

1. Kontrola količine joda: Koncentracija joda utiče na brzinu transporta; optimalni raspon je 5-8 mg/cm³.
2. Temperaturni gradijent: Održavajte gradijent unutar 50-100°C.
3. Vrijeme rasta: Tipično 7-14 dana, ovisno o željenoj veličini kristala.

3.4 Analiza prednosti i nedostataka

Prednosti:

• Mogu se dobiti visokokvalitetni monokristali
• Veće veličine kristala
• Visoka čistoća

Nedostaci:

• Dugi ciklusi rasta
• Visoki zahtjevi za opremu
• Nizak prinos

4. Metoda zasnovana na rastvoru za sintezu ZnTe nanomaterijala

4.1 Princip

Metode zasnovane na rastvoru kontrolišu reakcije prekursora u rastvoru za pripremu ZnTe nanočestica ili nanožica. Tipična reakcija je:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Detaljan postupak

4.2.1 Priprema reagensa

1. Izvor cinka: Cink acetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), čistoća ≥99,99%.
2. Izvor telura: Telur dioksid (TeO₂), čistoća ≥99,99%.
3. Redukcijsko sredstvo: Natrijum borohidrid (NaBH₄), čistoća ≥98%.
4. Rastvarači: Deionizirana voda, etilendiamin, etanol.
5. Surfaktant: cetiltrimetilamonij bromid (CTAB).

4.2.2 Priprema prekursora telura

1. Priprema rastvora: Rastvoriti 0,1 mmol TeO₂ u 20 ml deionizovane vode.
2. Reakcija redukcije: Dodati 0,5 mmol NaBH₄, miješati magnetskom miješalicom 30 minuta da se dobije rastvor HTe⁻.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. Zaštitna atmosfera: Održavajte protok dušika kroz cijelo sredstvo kako biste spriječili oksidaciju.

4.2.3 Sinteza ZnTe nanočestica

1. Priprema rastvora cinka: Rastvoriti 0,1 mmol cink acetata u 30 ml etilendiamina.
2. Reakcija miješanja: Polako dodajte rastvor HTe⁻ u rastvor cinka, reagirajte na 80°C tokom 6 sati.
3. Centrifugiranje: Nakon reakcije, centrifugirajte na 10.000 o/min tokom 10 minuta kako biste sakupili produkt.
4. Pranje: Naizmjenično pranje etanolom i deioniziranom vodom tri puta.
5. Sušenje: Sušiti u vakuumu na 60°C tokom 6 sati.

4.2.4 Sinteza ZnTe nanožica

1. Dodavanje šablona: Dodajte 0,2 g CTAB-a u rastvor cinka.
2. Hidrotermalna reakcija: Prebacite pomiješani rastvor u autoklav od 50 ml obložen teflonom, reagirajte na 180°C tokom 12 sati.
3. Naknadna obrada: Isto kao i za nanočestice.

4.3 Optimizacija parametara procesa

1. Kontrola temperature: 80-90°C za nanočestice, 180-200°C za nanožice.
2. pH vrijednost: Održavati između 9-11.
3. Vrijeme reakcije: 4-6 sati za nanočestice, 12-24 sata za nanožice.

4.4 Analiza prednosti i nedostataka

Prednosti:

• Reakcija na niskoj temperaturi, ušteda energije
• Kontrolisana morfologija i veličina
• Pogodno za proizvodnju velikih razmjera

Nedostaci:

• Proizvodi mogu sadržavati nečistoće
• Zahtijeva naknadnu obradu
• Niži kvalitet kristala

5. Molekularna epitaksija snopa (MBE) za pripremu tankog filma ZnTe

5.1 Princip

MBE uzgaja tanke filmove monokristala ZnTe usmjeravanjem molekularnih snopova Zn i Te na podlogu pod uvjetima ultravisokog vakuuma, precizno kontrolirajući omjere fluksa snopa i temperaturu podloge.

5.2 Detaljan postupak

5.2.1 Priprema sistema

1. Vakuumski sistem: Osnovni vakuum ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Priprema izvora:
   • Izvor cinka: 6N cink visoke čistoće u BN lončiću.
   • Izvor telura: 6N telur visoke čistoće u PBN lončiću.
3. Priprema podloge:
   • Često korištena GaAs(100) podloga.
   • Čišćenje podloge: Čišćenje organskim rastvaračima → nagrizanje kiselinom → ispiranje deioniziranom vodom → sušenje dušikom.

5.2.2 Proces rasta

1. Ispiranje supstrata: Pecite na 200°C tokom 1 sata kako biste uklonili površinske adsorbate.
2. Uklanjanje oksida: Zagrijte na 580°C, držite 10 minuta da biste uklonili površinske okside.
3. Rast puferskog sloja: Ohladiti na 300°C, uzgojiti 10 nm ZnTe puferski sloj.
4. Glavni rast:
   • Temperatura podloge: 280-320°C.
   • Ekvivalentni pritisak cinkove grede: 1×10⁻⁶Torr.
   • Ekvivalentni pritisak telurijumskog snopa: 2×10⁻⁶Torr.
   • Odnos V/III kontrolisan na 1,5-2,0.
   • Brzina rasta: 0,5-1 μm/h.
5. Žarenje: Nakon rasta, žariti na 250°C tokom 30 minuta.

5.2.3 Praćenje na licu mjesta

1. Praćenje RHEED-a: Posmatranje rekonstrukcije površine i načina rasta u realnom vremenu.
2. Masena spektrometrija: Praćenje intenziteta molekularnog snopa.
3. Infracrvena termometrija: Precizna kontrola temperature podloge.

5.3 Kontrolne tačke procesa

1. Kontrola temperature: Temperatura podloge utiče na kvalitet kristala i morfologiju površine.
2. Odnos fluksa snopa: Odnos Te/Zn utiče na vrste i koncentracije defekata.
3. Stopa rasta: Niže stope poboljšavaju kvalitet kristala.

5.4 Analiza prednosti i nedostataka

Prednosti:

• Precizan sastav i doping kontrola.
• Visokokvalitetni monokristalni filmovi.
• Atomski ravne površine su dostižne.

Nedostaci:

• Skupa oprema.
• Spore stope rasta.
• Zahtijeva napredne operativne vještine.

6. Druge metode sinteze

6.1 Hemijsko taloženje iz parne faze (CVD)

1. Prekursori: dietilcink (DEZn) i diizopropiltelurid (DIPTe).
2. Temperatura reakcije: 400-500°C.
3. Nosni plin: Visokočisti dušik ili vodik.
4. Pritisak: Atmosferski ili niski pritisak (10-100 Torr).

6.2 Termičko isparavanje

1. Izvorni materijal: ZnTe prah visoke čistoće.
2. Nivo vakuuma: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Temperatura isparavanja: 1000-1100°C.
4. Temperatura podloge: 200-300°C.

7. Zaključak

Postoje različite metode za sintezu cink telurida, svaka sa svojim prednostima i nedostacima. Reakcija u čvrstom stanju je pogodna za pripremu materijala u rasutom stanju, transport pare daje visokokvalitetne monokristale, metode u rastvoru su idealne za nanomaterijale, a MBE se koristi za visokokvalitetne tanke filmove. Praktične primjene trebaju odabrati odgovarajuću metodu na osnovu zahtjeva, uz strogu kontrolu parametara procesa kako bi se dobili visokoperformansni ZnTe materijali. Budući pravci uključuju sintezu na niskim temperaturama, kontrolu morfologije i optimizaciju procesa dopiranja.