Телурид цинку (ZnTe), важливий напівпровідниковий матеріал II-VI групи, широко використовується в інфрачервоному детектуванні, сонячних елементах та оптоелектронних пристроях. Нещодавні досягнення в нанотехнологіях та зеленій хімії оптимізували його виробництво. Нижче наведено сучасні основні процеси виробництва ZnTe та ключові параметри, включаючи традиційні методи та сучасні вдосконалення:
_____________________________________
I. Традиційний виробничий процес (прямий синтез)
1. Підготовка сировини
• Високочистий цинк (Zn) та телур (Te): чистота ≥99,999% (марка 5N), змішані у молярному співвідношенні 1:1.
• Захисний газ: високочистий аргон (Ar) або азот (N₂) для запобігання окисленню.
2. Потік процесу
• Крок 1: Синтез у вакуумному плавленні
Змішайте порошки Zn та Te у кварцовій пробірці та відкачайте до ≤10⁻³ Па.
o Програма нагрівання: Нагрівайте зі швидкістю 5–10°C/хв до 500–700°C, витримуйте 4–6 годин.
Рівняння реакції: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• Крок 2: Відпал
o Відпаліть неочищений продукт при температурі 400–500°C протягом 2–3 годин, щоб зменшити дефекти кристалічної решітки.
• Крок 3: Дроблення та просіювання
o Використовуйте кульовий млин для подрібнення сипучого матеріалу до цільового розміру частинок (високоенергетичне кульове подрібнення для нанорозмірів).
3. Ключові параметри
• Точність контролю температури: ±5°C
• Швидкість охолодження: 2–5°C/хв (для уникнення тріщин від термічного напруження)
• Розмір частинок сировини: Zn (100–200 меш), Te (200–300 меш)
_____________________________________
II. Сучасний удосконалений процес (сольвотермічний метод)
Сольвотермічний метод є основним методом виробництва нанорозмірного ZnTe, що пропонує такі переваги, як контрольований розмір частинок та низьке енергоспоживання.
1. Сировина та розчинники
• Прекурсори: нітрат цинку (Zn(NO₃)₂) та телуриту натрію (Na₂TeO₃) або порошок телуру (Te).
• Відновлювачі: гідразингідрат (N₂H₄·H₂O) або боргідрид натрію (NaBH₄).
• Розчинники: етилендіамін (EDA) або деіонізована вода (DI вода).
2. Потік процесу
• Крок 1: Розчинення прекурсора
o Розчиніть Zn(NO₃)₂ та Na₂TeO₃ у молярному співвідношенні 1:1 у розчиннику при перемішуванні.
• Крок 2: Реакція відновлення
o Додайте відновник (наприклад, N₂H₄·H₂O) та герметизуйте в автоклаві високого тиску.
Умови реакції:
Температура: 180–220°C
Час: 12–24 години
Тиск: Самогенерований (3–5 МПа)
o Рівняння реакції: Zn2++TeO32− + Відновлювач → ZnTe + Побічні продукти (наприклад, H₂O, N₂) Zn2++TeO32− + Відновлювач → ZnTe + Побічні продукти (наприклад, H₂O, N₂)
• Крок 3: Післяопераційна обробка
o Відцентруйте для виділення продукту, промийте 3–5 разів етанолом та деіонізованою водою.
o Сушити у вакуумі (60–80°C протягом 4–6 годин).
3. Ключові параметри
• Концентрація прекурсора: 0,1–0,5 моль/л
• Контроль pH: 9–11 (лужні умови сприяють реакції)
• Контроль розміру частинок: регулювання за допомогою типу розчинника (наприклад, EDA дає нанодроти; водна фаза дає наночастинки).
_____________________________________
III. Інші вдосконалені процеси
1. Хімічне осадження з парової фази (ХОО)
• Застосування: Підготовка тонких плівок (наприклад, сонячні елементи).
• Прекурсори: діетилцинк (Zn(C₂H₅)₂) та діетилтелур (Te(C₂H₅)₂).
• Параметри:
o Температура осадження: 350–450°C
o Газ-носій: суміш H₂/Ar (швидкість потоку: 50–100 куб.см)
Тиск: 10⁻²–10⁻³ Торр
2. Механічне легування (кульове фрезерування)
• Характеристики: Синтез без розчинників, низькотемпературний.
• Параметри:
Співвідношення кульок до порошку: 10:1
o Час фрезерування: 20–40 годин
Швидкість обертання: 300–500 об/хв
_____________________________________
IV. Контроль якості та характеристика
1. Аналіз чистоти: рентгенівська дифракція (XRD) для визначення кристалічної структури (основний пік при 2θ ≈25,3°).
2. Контроль морфології: Трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ) для визначення розміру наночастинок (типово: 10–50 нм).
3. Елементарне співвідношення: енергодисперсійна рентгенівська спектроскопія (EDS) або мас-спектрометрія з індуктивно зв'язаною плазмою (ICP-MS) для підтвердження Zn ≈1:1.
_____________________________________
V. Міркування щодо безпеки та охорони навколишнього середовища
1. Очищення відхідних газів: Поглинати H₂Te лужними розчинами (наприклад, NaOH).
2. Відновлення розчинника: переробка органічних розчинників (наприклад, EDA) шляхом дистиляції.
3. Захисні заходи: Використовуйте протигази (для захисту від H₂Te) та корозійностійкі рукавички.
_____________________________________
VI. Технологічні тенденції
• Зелений синтез: розробка водно-фазних систем для зменшення використання органічних розчинників.
• Модифікація легуванням: Підвищення провідності шляхом легування Cu, Ag тощо.
• Великомасштабне виробництво: Використовуйте реактори безперервного потоку для отримання кілограмових партій.
Час публікації: 21 березня 2025 р.