1. Уводзіны

Тэлурыд цынку (ZnTe) — важны паўправадніковы матэрыял II-VI групы з прамой структурай забароненай зоны. Пры пакаёвай тэмпературы яго забароненая зона складае прыблізна 2,26 эВ, і ён шырока ўжываецца ў оптаэлектронных прыладах, сонечных элементах, дэтэктарах выпраменьвання і іншых галінах. У гэтым артыкуле падрабязна апісаны розныя працэсы сінтэзу тэлурыду цынку, у тым ліку рэакцыі ў цвёрдым стане, перанос пароў, метады на аснове раствораў, малекулярна-прамянёвая эпітаксія і г.д. Кожны метад будзе падрабязна растлумачаны з пункту гледжання яго прынцыпаў, працэдур, пераваг і недахопаў, а таксама ключавых меркаванняў.

2. Метад цвёрдацельнай рэакцыі для сінтэзу ZnTe

2.1 Прынцып

Метад цвёрдафазнай рэакцыі з'яўляецца найбольш традыцыйным падыходам да атрымання тэлурыду цынку, пры якім высакаякасны цынк і тэлур рэагуюць непасрэдна пры высокіх тэмпературах з утварэннем ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Падрабязная працэдура

2.2.1 Падрыхтоўка сыравіны

1. Выбар матэрыялу: У якасці зыходных матэрыялаў выкарыстоўвайце гранулы цынку высокай чысціні і кавалкі тэлуру з чысцінёй ≥99,999%.
2. Папярэдняя апрацоўка матэрыялу:
   • Апрацоўка цынкам: спачатку апусціце ў разведзеную саляную кіслату (5%) на 1 хвіліну для выдалення паверхневых аксідаў, прамыйце дэіянізаванай вадой, прамыйце бязводным этанолам і, нарэшце, высушыце ў вакуумнай печы пры тэмпературы 60°C на працягу 2 гадзін.
   • Апрацоўка тэлурам: спачатку апусціце ў царскую гарэлку (HNO₃:HCl=1:3) на 30 секунд для выдалення паверхневых аксідаў, прамыйце дэіянізаванай вадой да нейтральнай рэакцыі, прамыйце бязводным этанолам і, нарэшце, высушыце ў вакуумнай печы пры тэмпературы 80°C на працягу 3 гадзін.
3. Узважванне: Узважвайце сыравіну ў стехіаметрычным суадносінах (Zn:Te=1:1). Улічваючы магчымае выпарэнне цынку пры высокіх тэмпературах, можна дадаць лішак 2-3%.

2.2.2 Змешванне матэрыялаў

1. Дробленне і змешванне: Змясціце ўзважаную колькасць цынку і тэлура ў агатовую ступку і здрабніце на працягу 30 хвілін у пальчаткавай камеры, запоўненай аргонам, да аднароднай масы.
2. Грануляванне: змясціце змяшаны парашок у форму і прэсуйце ў гранулы дыяметрам 10-20 мм пад ціскам 10-15 МПа.

2.2.3 Падрыхтоўка рэакцыйнага пасудзіны

1. Апрацоўка кварцавых трубак: выберыце кварцавыя трубкі высокай чысціні (унутраны дыяметр 20-30 мм, таўшчыня сценкі 2-3 мм), спачатку замочыце іх у царскай гарэлцы на 24 гадзіны, старанна прамыйце дэіянізаванай вадой і высушыце ў духоўцы пры тэмпературы 120°C.
2. Адпампоўка: змясціце гранулы сыравіны ў кварцавую трубку, падключыце да вакуумнай сістэмы і адпампаваць да ≤10⁻³Па.
3. Герметызацыя: герметызацыя кварцавай трубкі з дапамогай вадародна-кіслароднага полымя забяспечвае даўжыню герметызацыі ≥50 мм для герметычнасці.

2.2.4 Рэакцыя пры высокай тэмпературы

1. Першы этап награвання: змясціць герметычную кварцавую трубку ў трубчастую печ і нагрэць да 400°C са хуткасцю 2-3°C/мін, вытрымліваючы на ​​працягу 12 гадзін, каб даць магчымасць пачаць рэакцыю паміж цынкам і тэлурам.
2. Другі этап награвання: працягвайце награваць да 950-1050°C (ніжэй за тэмпературу размякчэння кварца 1100°C) са хуткасцю 1-2°C/мін, вытрымліваючы на ​​працягу 24-48 гадзін.
3. Качанне трубкі: Падчас стадыі высокай тэмпературы нахіляйце печ на 45° кожныя 2 гадзіны і некалькі разоў калыхайце, каб забяспечыць стараннае змешванне рэагентаў.
4. Астуджэнне: Пасля завяршэння рэакцыі павольна астудзіце да пакаёвай тэмпературы са хуткасцю 0,5-1°C/мін, каб прадухіліць расколінаванне ўзору з-за тэрмічнага напружання.

2.2.5 Апрацоўка прадукцыі

1. Выдаленне прадукту: Адкрыйце кварцавую трубку ў пальчаткавай камеры і выдаліце ​​прадукт рэакцыі.
2. Дробленне: Здрабніце прадукт у парашок, каб выдаліць усе нерэагаваўшыя матэрыялы.
3. Адпал: адпал парашка пры тэмпературы 600°C у атмасферы аргону на працягу 8 гадзін для зняцця ўнутранага напружання і паляпшэння крышталічнасці.
4. Характарыстыка: выканаць рэнтгенаўскую дыфракцыю, скануючую электронную сканіруючую аналіз (SEM), дыфрактограму з энергадынамічнай спектраскапіяй (EDS) і г.д. для пацверджання чысціні фазы і хімічнага складу.

2.3 Аптымізацыя параметраў працэсу

1. Кантроль тэмпературы: аптымальная тэмпература рэакцыі складае 1000±20°C. Больш нізкія тэмпературы могуць прывесці да няпоўнай рэакцыі, а больш высокія — да выпарэння цынку.
2. Кантроль часу: час вытрымкі павінен быць ≥24 гадзін, каб забяспечыць поўную рэакцыю.
3. Хуткасць астуджэння: павольнае астуджэнне (0,5-1°C/мін) дае больш буйныя крышталічныя зярняты.

2.4 Аналіз пераваг і недахопаў

Перавагі:

• Просты працэс, нізкія патрабаванні да абсталявання
• Падыходзіць для серыйнай вытворчасці
• Высокая чысціня прадукту

Недахопы:

• Высокая тэмпература рэакцыі, высокае спажыванне энергіі
• Нераўнамернае размеркаванне памеру зерня
• Можа ўтрымліваць невялікую колькасць нерэагаваных матэрыялаў

3. Метад транспарту парай для сінтэзу ZnTe

3.1 Прынцып

Метад паравой транспарціроўкі выкарыстоўвае газ-носьбіт для транспарціроўкі пароў рэагентаў у нізкатэмпературную зону для асаджэння, дасягаючы накіраванага росту ZnTe шляхам кантролю тэмпературных градыентаў. У якасці транспартнага агента звычайна выкарыстоўваецца ёд:

ZnTe(s) + I₂(г) ⇌ ZnI₂(г) + 1/2Te₂(г)

3.2 Падрабязная працэдура

3.2.1 Падрыхтоўка сыравіны

1. Выбар матэрыялу: выкарыстоўвайце парашок ZnTe высокай чысціні (чысціня ≥99,999%) або стехіаметрычна змяшаныя парашкі Zn і Te.
2. Падрыхтоўка транспартнага агента: крышталі ёду высокай чысціні (чысціня ≥99,99%), доза 5-10 мг/см³ аб'ём рэакцыйнай прабіркі.
3. Апрацоўка кварцавых трубак: такая ж, як і ў цвёрдафазным рэакцыйным метады, але патрабуюцца больш доўгія кварцавыя трубкі (300-400 мм).

3.2.2 Загрузка трубкі

1. Размяшчэнне матэрыялу: Змясціце парашок ZnTe або сумесь Zn+Te на адзін канец кварцавай трубкі.
2. Даданне ёду: Дадайце крышталі ёду ў кварцавую трубку ў пальчаткавай камеры.
3. Эвакуацыя: Эвакуіраваць да ≤10⁻³Па.
4. Герметызацыя: герметызацыя з дапамогай вадародна-кіслароднага полымя, трымаючы трубку ў гарызантальным становішчы.

3.2.3 Налада градыенту тэмпературы

1. Тэмпература гарачай зоны: усталяваць на 850-900°C.
2. Тэмпература халоднай зоны: усталяваць на ўзроўні 750-800°C.
3. Даўжыня градыентнай зоны: прыблізна 100-150 мм.

3.2.4 Працэс росту

1. Першы этап: нагрэць да 500°C са хуткасцю 3°C/мін, вытрымаць 2 гадзіны, каб адбылася пачатковая рэакцыя паміж ёдам і сыравінай.
2. Другі этап: працягвайце награваць да зададзенай тэмпературы, падтрымлівайце градыент тэмпературы і вырошчвайце на працягу 7-14 дзён.
3. Астуджэнне: Пасля завяршэння росту астудзіце да пакаёвай тэмпературы са хуткасцю 1°C/хв.

3.2.5 Збор прадуктаў

1. Адкрыццё трубкі: Адкрыйце кварцавую трубку ў бардачку.
2. Збор: Збярыце монакрышталі ZnTe на халодным канцы.
3. Ачыстка: правядзіце ультрагукавую ачыстку бязводным этанолам на працягу 5 хвілін для выдалення ёду, які адсарбаваўся на паверхні.

3.3 Пункты кантролю працэсу

1. Кантроль колькасці ёду: канцэнтрацыя ёду ўплывае на хуткасць транспарціроўкі; аптымальны дыяпазон складае 5-8 мг/см³.
2. Градыент тэмператур: падтрымлівайце градыент у межах 50-100°C.
3. Час росту: звычайна 7-14 дзён, у залежнасці ад патрэбнага памеру крышталяў.

3.4 Аналіз пераваг і недахопаў

Перавагі:

• Можна атрымаць высакаякасныя монакрышталі
• Большыя памеры крышталяў
• Высокая чысціня

Недахопы:

• Доўгія цыклы росту
• Высокія патрабаванні да абсталявання
• Нізкая ўраджайнасць

4. Метад сінтэзу нанаматэрыялаў ZnTe на аснове раствораў

4.1 Прынцып

Метады на аснове раствораў кантралююць рэакцыі папярэднікаў у растворы для атрымання наначасціц або нанаправадоў ZnTe. Тыповая рэакцыя:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Падрабязная працэдура

4.2.1 Падрыхтоўка рэагентаў

1. Крыніца цынку: ацэтат цынку (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), чысціня ≥99,99%.
2. Крыніца тэлуру: дыяксід тэлуру (TeO₂), чысціня ≥99,99%.
3. Аднаўляльнік: боргідрыд натрыю (NaBH₄), чысціня ≥98%.
4. Растваральнікі: дэіянізаваная вада, этылендыямін, этанол.
5. Павярхоўна-актыўны рэчыва: цэтылтрыметыламоній бромід (CTAB).

4.2.2 Падрыхтоўка папярэдніка тэлура

1. Падрыхтоўка раствора: растварыце 0,1 ммоль TeO₂ у 20 мл дэіянізаванай вады.
2. Рэакцыя аднаўлення: дадайце 0,5 ммоль NaBH₄, памешвайце магнітнай мешалкай на працягу 30 хвілін для атрымання раствора HTe⁻.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)3 + 3H₂↑
3. Ахоўная атмасфера: падтрымлівайце паток азоту на ўсім працягу, каб прадухіліць акісленне.

4.2.3 Сінтэз наначасціц ZnTe

1. Прыгатаванне раствора цынку: растварыце 0,1 ммоль ацэтату цынку ў 30 мл этылендыаміну.
2. Рэакцыя змешвання: павольна дадайце раствор HTe⁻ да раствора цынку, рэагуйце пры тэмпературы 80°C на працягу 6 гадзін.
3. Цэнтрыфугаванне: Пасля рэакцыі цэнтрыфугуйце пры 10 000 абаротаў у хвіліну на працягу 10 хвілін, каб сабраць прадукт.
4. Прамыванне: чаргаваць прамыванне этанолам і дэіянізаванай вадой тры разы.
5. Сушка: сушыць у пыласосе пры тэмпературы 60°C на працягу 6 гадзін.

4.2.4 Сінтэз нанаправадоў ZnTe

1. Даданне шаблону: Дадайце 0,2 г CTAB у раствор цынку.
2. Гідратэрмальная рэакцыя: перанесці змяшаны раствор у аўтаклаў з тэфлонавым пакрыццём аб'ёмам 50 мл і вытрымліваць рэакцыю пры тэмпературы 180°C на працягу 12 гадзін.
3. Пасляапрацоўка: такая ж, як і для наначасціц.

4.3 Аптымізацыя параметраў працэсу

1. Кантроль тэмпературы: 80-90°C для наначасціц, 180-200°C для нанаправадоў.
2. Значэнне pH: падтрымліваць у межах 9-11.
3. Час рэакцыі: 4-6 гадзін для наначасціц, 12-24 гадзіны для нанаправадоў.

4.4 Аналіз пераваг і недахопаў

Перавагі:

• Нізкатэмпературная рэакцыя, энергазберажэнне
• Кантраляваная марфалогія і памер
• Падыходзіць для буйной вытворчасці

Недахопы:

• Прадукты могуць утрымліваць прымешкі
• Патрабуецца пасляапрацоўка
• Нізкая якасць крышталя

5. Малекулярна-прамянёвая эпітаксія (MBE) для атрымання тонкіх плёнак ZnTe

5.1 Прынцып

МЛЭ вырошчвае тонкія плёнкі монакрышталікаў ZnTe, накіроўваючы малекулярныя пучкі Zn і Te на падкладку ва ўмовах звышвысокага вакууму, дакладна кантралюючы суадносіны патокаў пучка і тэмпературу падкладкі.

5.2 Падрабязная працэдура

5.2.1 Падрыхтоўка сістэмы

1. Вакуумная сістэма: базавы вакуум ≤1×10⁻⁸Па.
2. Падрыхтоўка крыніцы:
   • Крыніца цынку: 6N цынк высокай чысціні ў тыглі BN.
   • Крыніца тэлуру: 6N высокачысты тэлур у тыглі з PBN.
3. Падрыхтоўка субстрата:
   • Звычайна выкарыстоўваецца падкладка GaAs(100).
   • Ачыстка падкладкі: ачыстка арганічнымі растваральнікамі → кіслотнае травленне → прамыванне дэіянізаванай вадой → сушка азотам.

5.2.2 Працэс росту

1. Дэгазацыя субстрата: выпякаць пры тэмпературы 200°C на працягу 1 гадзіны для выдалення паверхневых адсарбатаў.
2. Выдаленне аксідаў: нагрэйце да 580°C, вытрымайце 10 хвілін для выдалення паверхневых аксідаў.
3. Вырошчванне буфернага пласта: астудзіць да 300°C, выгадаваць буферны пласт ZnTe таўшчынёй 10 нм.
4. Асноўны рост:
   • Тэмпература падкладкі: 280-320°C.
   • Эквівалентны ціск цынкавай бэлькі: 1×10⁻⁶Тор.
   • Эквівалентны ціск тэлуравага пучка: 2×10⁻⁶Тор.
   • Суадносіны V/III кантралююцца на ўзроўні 1,5-2,0.
   • Хуткасць росту: 0,5-1 мкм/г.
5. Адпал: Пасля росту адпаліць пры тэмпературы 250°C на працягу 30 хвілін.

5.2.3 Маніторынг на месцы

1. Маніторынг RHEED: назіранне ў рэжыме рэальнага часу за рэканструкцыяй паверхні і рэжымам росту.
2. Мас-спектрометрыя: маніторынг інтэнсіўнасці малекулярнага пучка.
3. Інфрачырвоная тэрмаметрыя: дакладны кантроль тэмпературы падкладкі.

5.3 Пункты кантролю працэсу

1. Кантроль тэмпературы: тэмпература падкладкі ўплывае на якасць крышталяў і марфалогію паверхні.
2. Суадносіны патоку прамяня: суадносіны Te/Zn уплываюць на тыпы і канцэнтрацыі дэфектаў.
3. Хуткасць росту: больш нізкія тэмпы паляпшаюць якасць крышталяў.

5.4 Аналіз пераваг і недахопаў

Перавагі:

• Дакладны склад і допінг-кантроль.
• Высокаякасныя монакрышталічныя плёнкі.
• Атамарна плоскія паверхні дасягальныя.

Недахопы:

• Дарагое абсталяванне.
• Павольныя тэмпы росту.
• Патрабуе пашыраных аперацыйных навыкаў.

6. Іншыя метады сінтэзу

6.1 Хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD)

1. Папярэднікі: дыэтылцынк (DEZn) і дыізапрапілтэлурыд (DIPTe).
2. Тэмпература рэакцыі: 400-500°C.
3. Газ-носьбіт: азот або вадарод высокай чысціні.
4. Ціск: атмасферны або нізкі ціск (10-100 торр).

6.2 Цеплавое выпарэнне

1. Зыходны матэрыял: парашок ZnTe высокай чысціні.
2. Узровень вакууму: ≤1×10⁻⁴Па.
3. Тэмпература выпарэння: 1000-1100°C.
4. Тэмпература падкладкі: 200-300°C.

7. Заключэнне

Існуюць розныя метады сінтэзу тэлурыду цынку, кожны з якіх мае свае перавагі і недахопы. Цвёрдафазная рэакцыя падыходзіць для падрыхтоўкі аб'ёмных матэрыялаў, перанос парай дае высакаякасныя монакрышталі, метады ў растворы ідэальна падыходзяць для нанаматэрыялаў, а молекулярна-бекавая эмульсія (MBE) выкарыстоўваецца для высакаякасных тонкіх плёнак. Практычнае прымяненне патрабуе выбару адпаведнага метаду ў залежнасці ад патрабаванняў, са строгім кантролем параметраў працэсу для атрымання высокапрадукцыйных матэрыялаў ZnTe. Будучыя напрамкі ўключаюць нізкатэмпературны сінтэз, кантроль марфалогіі і аптымізацыю працэсу легавання.