1. Uvod

Cinkov telurid (ZnTe) je važan poluvodički materijal II-VI skupine s izravnom strukturom zabranjene zone. Na sobnoj temperaturi, njegov zabranjeni pojas je približno 2,26 eV, a nalazi široku primjenu u optoelektroničkim uređajima, solarnim ćelijama, detektorima zračenja i drugim područjima. Ovaj članak će pružiti detaljan uvod u različite procese sinteze cinkovog telurida, uključujući reakcije u čvrstom stanju, transport pare, metode temeljene na otopinama, epitaksiju molekularnog snopa itd. Svaka metoda bit će detaljno objašnjena u smislu svojih principa, postupaka, prednosti i nedostataka te ključnih razmatranja.

2. Metoda reakcije u čvrstom stanju za sintezu ZnTe

2.1 Načelo

Metoda reakcije u čvrstom stanju je najtradicionalniji pristup za pripravu cinkovog telurida, gdje visokočisti cink i telurij izravno reagiraju na visokim temperaturama tvoreći ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Detaljan postupak

2.2.1 Priprema sirovina

1. Odabir materijala: Kao početne materijale upotrijebite granule cinka visoke čistoće i grudve telura čistoće ≥99,999%.
2. Prethodna obrada materijala:
   • Obrada cinkom: Prvo uronite u razrijeđenu klorovodičnu kiselinu (5%) na 1 minutu kako biste uklonili površinske okside, isperite deioniziranom vodom, isperite bezvodnim etanolom i na kraju sušite u vakuumskoj pećnici na 60°C tijekom 2 sata.
   • Obrada telurijem: Prvo uronite u carsku vodu (HNO₃:HCl=1:3) na 30 sekundi kako biste uklonili površinske okside, isperite deioniziranom vodom do neutralnosti, isperite bezvodnim etanolom i na kraju sušite u vakuumskoj pećnici na 80°C tijekom 3 sata.
3. Vaganje: Sirovine se važu 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 telurij u ahatni mužar i meljite 30 minuta u komori za rukavice ispunjenoj argonom dok se jednolično ne pomiješaju.
2. Peletiranje: Stavite miješani prah u kalup i prešajte u pelete promjera 10-20 mm pod tlakom od 10-15 MPa.

2.2.3 Priprema reakcijske posude

1. Obrada 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 sustav i evakuirajte do ≤10⁻³Pa.
3. Brtvljenje: Zatvorite kvarcnu cijev plamenom vodika i kisika, osiguravajući duljinu brtvljenja ≥50 mm radi hermetičnosti.

2.2.4 Reakcija na visokoj temperaturi

1. Prva faza zagrijavanja: Stavite zatvorenu kvarcnu cijev u cijevnu peć i zagrijavajte 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 točke omekšavanja kvarca od 1100°C) brzinom od 1-2°C/min, držeći 24-48 sati.
3. Ljuljanje cijevi: Tijekom 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 zbog toplinskog naprezanja.

2.2.5 Obrada proizvoda

1. Uklanjanje produkta: Otvorite kvarcnu cijev u kutiji za rukavice i uklonite produkt reakcije.
2. Mljevenje: Ponovno sameljite proizvod u prah kako biste uklonili sve nereagirane materijale.
3. Žarenje: Žarite prah na 600°C u atmosferi argona tijekom 8 sati kako biste ublažili unutarnje naprezanje i poboljšali kristalnost.
4. Karakterizacija: Provedite XRD, SEM, EDS itd. kako biste potvrdili faznu čistoću i kemijski 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 postupak, niski zahtjevi za opremom
• Pogodno za serijsku proizvodnju
• Visoka čistoća proizvoda

Nedostaci:

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

3. Metoda transporta pare za sintezu ZnTe

3.1 Načelo

Metoda transporta pare koristi plin nosač za transport para reaktanata u zonu niske temperature za taloženje, 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. Odabir 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 volumena reakcijske epruvete.
3. Obrada 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. Brtvljenje: Brtvljenje plamenom vodika i kisika, držeći cijev vodoravno.

3.2.3 Postavljanje temperaturnog gradijenta

1. Temperatura vruće zone: Postavite na 850-900°C.
2. Temperatura hladne zone: Postavite na 750-800°C.
3. Duljina 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 adsorbiran na površini.

3.3 Kontrolne točke procesa

1. Kontrola količine joda: Koncentracija joda utječe na brzinu transporta; optimalni raspon je 5-8 mg/cm³.
2. Temperaturni gradijent: Održavajte gradijent unutar 50-100°C.
3. Vrijeme rasta: Obično 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 sinteze ZnTe nanomaterijala temeljena na otopini

4.1 Načelo

Metode temeljene na otopini kontroliraju reakcije prekursora u otopini 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: Cinkov acetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), čistoća ≥99,99%.
2. Izvor telura: Telur dioksid (TeO₂), čistoća ≥99,99%.
3. Redukcijsko sredstvo: natrijev borohidrid (NaBH₄), čistoća ≥98%.
4. Otapala: Deionizirana voda, etilendiamin, etanol.
5. Surfaktant: cetiltrimetilamonijev bromid (CTAB).

4.2.2 Priprema telurovog prekursora

1. Priprema otopine: Otopite 0,1 mmol TeO₂ u 20 ml deionizirane vode.
2. Reakcija redukcije: Dodati 0,5 mmol NaBH₄, miješati magnetski 30 minuta da se dobije otopina 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 otopine cinka: Otopite 0,1 mmol cinkovog acetata u 30 ml etilendiamina.
2. Reakcija miješanja: Polako dodajte otopinu HTe⁻ u otopinu cinka, reagirajte na 80°C tijekom 6 sati.
3. Centrifugiranje: Nakon reakcije, centrifugirajte pri 10 000 okretaja u minuti tijekom 10 minuta kako biste sakupili produkt.
4. Pranje: Naizmjenično ispirati etanolom i deioniziranom vodom tri puta.
5. Sušenje: Sušiti u vakuumu na 60°C tijekom 6 sati.

4.2.4 Sinteza ZnTe nanožica

1. Dodavanje predloška: Dodajte 0,2 g CTAB-a u otopinu cinka.
2. Hidrotermalna reakcija: Prebacite pomiješanu otopinu u autoklav od 50 ml obložen teflonom, reagirajte na 180 °C tijekom 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
• Kontrolirana morfologija i veličina
• Pogodno za proizvodnju velikih razmjera

Nedostaci:

• Proizvodi mogu sadržavati nečistoće
• Zahtijeva naknadnu obradu
• Niža kvaliteta kristala

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

5.1 Načelo

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 sustava

1. Vakuumski sustav: 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 otapalima → jetkanje kiselinom → ispiranje deioniziranom vodom → sušenje dušikom.

5.2.2 Proces rasta

1. Isplinjevanje podloge: Pecite na 200°C tijekom 1 sata kako biste uklonili površinske adsorbate.
2. Uklanjanje oksida: Zagrijte na 580°C, držite 10 minuta kako 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 tlak cinkove grede: 1×10⁻⁶Torr.
   • Ekvivalentni tlak telurnog snopa: 2×10⁻⁶Torr.
   • Omjer V/III kontroliran na 1,5-2,0.
   • Brzina rasta: 0,5-1 μm/h.
5. Žarenje: Nakon rasta, žariti na 250°C tijekom 30 minuta.

5.2.3 Praćenje na licu mjesta

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

5.3 Kontrolne točke procesa

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

5.4 Analiza prednosti i nedostataka

Prednosti:

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

Nedostaci:

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

6. Druge metode sinteze

6.1 Kemijsko taloženje iz parne faze (CVD)

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

6.2 Toplinsko isparavanje

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

7. Zaključak

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