1. Ներածություն

Ցինկի տելուրիդը (ZnTe) կարևոր II-VI խմբի կիսահաղորդչային նյութ է՝ ուղիղ գոտիական բացվածքի կառուցվածքով: Սենյակային ջերմաստիճանում դրա գոտիական բացվածքը կազմում է մոտավորապես 2.26 էՎ, և այն լայն կիրառություն է գտնում օպտոէլեկտրոնային սարքերում, արևային մարտկոցներում, ճառագայթման դետեկտորներում և այլ ոլորտներում: Այս հոդվածը մանրամասն կներկայացնի ցինկի տելուրիդի տարբեր սինթեզի գործընթացներ, ներառյալ պինդ վիճակում ռեակցիան, գոլորշու փոխադրումը, լուծույթի վրա հիմնված մեթոդները, մոլեկուլային փնջային էպիտաքսիան և այլն: Յուրաքանչյուր մեթոդ մանրամասն կբացատրվի իր սկզբունքներով, ընթացակարգերով, առավելություններով և թերություններով, ինչպես նաև հիմնական նկատառումներով:

2. ZnTe սինթեզի պինդ վիճակում ռեակցիայի մեթոդ

2.1 Սկզբունք

Պինդ վիճակում ռեակցիայի մեթոդը ցինկի տելուրիդ ստանալու ամենաավանդական մոտեցումն է, որտեղ բարձր մաքրության ցինկը և տելուրը բարձր ջերմաստիճաններում անմիջապես փոխազդում են՝ առաջացնելով ZnTe։

Zn + Te → ZnTe

2.2 Մանրամասն ընթացակարգ

2.2.1 Հումքի պատրաստում

1. Նյութի ընտրություն. Որպես մեկնարկային նյութեր օգտագործեք բարձր մաքրության ցինկի հատիկներ և թելուրիումի կտորներ՝ ≥99.999% մաքրությամբ:
2. Նյութի նախնական մշակում.
   • Ցինկով մշակում. Սկզբում 1 րոպեով ընկղմեք նոսր աղաթթվի (5%) մեջ՝ մակերեսային օքսիդները հեռացնելու համար, լվացեք ապաիոնացված ջրով, լվացեք անջուր էթանոլով և վերջապես չորացրեք վակուումային վառարանում 60°C ջերմաստիճանում 2 ժամ:
   • Տելլուրիումի մշակում. Սկզբում 30 վայրկյան ընկղմեք թագավորական ջրի մեջ (HNO₃:HCl=1:3)՝ մակերեսային օքսիդները հեռացնելու համար, լվացեք ապաիոնացված ջրով մինչև չեզոք դառնալը, լվացեք անջուր էթանոլով և վերջապես չորացրեք վակուումային վառարանում 80°C ջերմաստիճանում 3 ժամ:
3. Կշռում. Հումքը կշռել ստեխիոմետրիկ հարաբերակցությամբ (Zn:Te=1:1): Հաշվի առնելով բարձր ջերմաստիճաններում ցինկի հնարավոր գոլորշիացումը, կարելի է ավելացնել 2-3% ավելցուկ:

2.2.2 Նյութերի խառնում

1. Մանրացում և խառնում. Կշռված ցինկը և թելուրը տեղադրեք ագատե շաղախի մեջ և մանրացրեք 30 րոպե արգոնով լցված ձեռնոցների տուփի մեջ, մինչև միատարր խառնուրդ ստանալը։
2. Գնդիկավորում. Խառը փոշին տեղադրեք կաղապարի մեջ և սեղմեք՝ 10-20 մմ տրամագծով գնդիկների վերածելով 10-15 ՄՊա ճնշման տակ։

2.2.3 Ռեակցիայի անոթի պատրաստում

1. Քվարցե խողովակների մշակում. Ընտրեք բարձր մաքրության քվարցե խողովակներ (ներքին տրամագիծը՝ 20-30 մմ, պատի հաստությունը՝ 2-3 մմ), նախ թրջեք արքայական ջրի մեջ 24 ժամ, մանրակրկիտ լվացեք ապաիոնացված ջրով և չորացրեք ջեռոցում 120°C ջերմաստիճանում:
2. Էվակուացիա. Հումքի գնդիկները տեղադրեք քվարցային խողովակի մեջ, միացրեք վակուումային համակարգին և էվակուացրեք մինչև ≤10⁻³Պա։
3. Կնքում. Կնքեք քվարցե խողովակը ջրածնի-թթվածնի բոցով՝ ապահովելով ≥50 մմ կնքման երկարություն՝ հերմետիկության համար:

2.2.4 Բարձր ջերմաստիճանի ռեակցիա

1. Առաջին տաքացման փուլ. Տեղադրեք կնքված քվարցային խողովակը խողովակային վառարանի մեջ և տաքացրեք մինչև 400°C 2-3°C/րոպե արագությամբ, պահելով 12 ժամ՝ ցինկի և թելուրի միջև նախնական ռեակցիան ապահովելու համար։
2. Երկրորդ տաքացման փուլ. Շարունակեք տաքացնել մինչև 950-1050°C (քվարցի փափկացման կետից ցածր՝ 1100°C) 1-2°C/րոպե արագությամբ, պահելով 24-48 ժամ:
3. Խողովակի ճոճում. Բարձր ջերմաստիճանի փուլում վառարանը թեքեք 45°-ով յուրաքանչյուր 2 ժամը մեկ և մի քանի անգամ ճոճեք՝ ռեակտիվների մանրակրկիտ խառնումն ապահովելու համար։
4. Սառեցում. Ռեակցիայի ավարտից հետո դանդաղ սառեցնել մինչև սենյակային ջերմաստիճան՝ 0.5-1°C/րոպե արագությամբ՝ ջերմային լարվածության պատճառով նմուշի ճաքերը կանխելու համար։

2.2.5 Արտադրանքի մշակում

1. Արտադրանքի հեռացում. Բացեք քվարցային խողովակը ձեռնոցների տուփի մեջ և հեռացրեք ռեակցիայի արտադրանքը:
2. Մանրացում. Վերամաղեք արտադրանքը մինչև փոշու վերածվելը՝ հեռացնելու համար ռեակցիայի մեջ չմտած նյութերը:
3. Թրծում. փոշին թրծել 600°C ջերմաստիճանում արգոնի մթնոլորտում 8 ժամ՝ ներքին լարվածությունը թեթևացնելու և բյուրեղությունը բարելավելու համար։
4. Բնութագրում. Կատարեք XRD, SEM, EDS և այլն՝ փուլի մաքրությունը և քիմիական կազմը հաստատելու համար:

2.3 Գործընթացի պարամետրերի օպտիմալացում

1. Ջերմաստիճանի կարգավորում. Ռեակցիայի օպտիմալ ջերմաստիճանը 1000±20°C է: Ավելի ցածր ջերմաստիճանները կարող են հանգեցնել անավարտ ռեակցիայի, մինչդեռ ավելի բարձր ջերմաստիճանները կարող են առաջացնել ցինկի գոլորշիացում:
2. Ժամանակի վերահսկողություն. Լրիվ ռեակցիան ապահովելու համար պահպանման ժամանակը պետք է լինի ≥24 ժամ։
3. Սառեցման արագություն. Դանդաղ սառեցումը (0.5-1°C/րոպե) առաջացնում է ավելի մեծ բյուրեղային հատիկներ։

2.4 Առավելությունների և թերությունների վերլուծություն

Առավելություններ՝

• Պարզ գործընթաց, ցածր սարքավորումների պահանջներ
• Հարմար է խմբաքանակային արտադրության համար
• Բարձր արտադրանքի մաքրություն

Թերություններ՝

• Բարձր ռեակցիայի ջերմաստիճան, բարձր էներգիայի սպառում
• Հացահատիկի չափի անհավասար բաշխում
• Կարող է պարունակել չռեակցված նյութերի փոքր քանակություն

3. ZnTe սինթեզի գոլորշու փոխադրման մեթոդ

3.1 Սկզբունք

Գոլորշիների փոխադրման մեթոդը օգտագործում է կրող գազ՝ ռեակտիվների գոլորշիները ցածր ջերմաստիճանի գոտի տեղափոխելու համար նստեցման համար, ապահովելով ZnTe-ի ուղղորդված աճ՝ ջերմաստիճանի գրադիենտները կառավարելով: Յոդը սովորաբար օգտագործվում է որպես փոխադրող նյութ.

ZnTe(s) + I2(g) ⇌ ZnI2(g) + 1/2Te2(g)

3.2 Մանրամասն ընթացակարգ

3.2.1 Հումքի պատրաստում

1. Նյութի ընտրություն. Օգտագործեք բարձր մաքրության ZnTe փոշի (մաքրություն ≥99.999%) կամ ստեխիոմետրիկորեն խառնված Zn և Te փոշիներ:
2. Փոխադրող նյութի պատրաստում. Բարձր մաքրության յոդի բյուրեղներ (մաքրություն ≥99.99%), 5-10 մգ/սմ³ ռեակցիոն խողովակի ծավալի դեղաչափ:
3. Քվարցե խողովակների մշակում. Նույնն է, ինչ պինդ վիճակում ռեակցիայի մեթոդը, բայց անհրաժեշտ են ավելի երկար քվարցե խողովակներ (300-400 մմ):

3.2.2 Խողովակի բեռնում

1. Նյութի տեղադրում. Տեղադրեք ZnTe փոշին կամ Zn+Te խառնուրդը քվարցային խողովակի մի ծայրին։
2. Յոդի ավելացում. Յոդի բյուրեղները ավելացրեք քվարցային խողովակի մեջ՝ ձեռնոցների տուփի մեջ։
3. Տարհանում. Տարհանեք մինչև ≤10⁻³Պա:
4. Կնքում. Կնքեք ջրածնի-թթվածնի բոցով՝ խողովակը հորիզոնական պահելով։

3.2.3 Ջերմաստիճանի գրադիենտի կարգավորում

1. Տաք գոտու ջերմաստիճանը՝ Սահմանված է 850-900°C:
2. Սառը գոտու ջերմաստիճանը՝ սահմանել 750-800°C:
3. Գրադիենտային գոտու երկարությունը՝ մոտավորապես 100-150 մմ։

3.2.4 Աճի գործընթաց

1. Առաջին փուլ՝ տաքացնել մինչև 500°C 3°C/րոպե արագությամբ, պահել 2 ժամ՝ յոդի և հումքի միջև նախնական ռեակցիան ապահովելու համար։
2. Երկրորդ փուլ՝ շարունակել տաքացնել մինչև սահմանված ջերմաստիճանը, պահպանել ջերմաստիճանի գրադիենտը և աճեցնել 7-14 օր։
3. Սառեցում. Աճեցման ավարտից հետո սառեցնել մինչև սենյակային ջերմաստիճան 1°C/րոպե արագությամբ:

3.2.5 Արտադրանքի հավաքագրում

1. Խողովակի բացում. Բացեք քվարցե խողովակը ձեռնոցների տուփի մեջ:
2. Հավաքագրում. ZnTe միաբյուրեղները հավաքեք սառը ծայրից։
3. Մաքրում. 5 րոպե ուլտրաձայնային մաքրում անջուր էթանոլով՝ մակերեսին ներծծված յոդը հեռացնելու համար:

3.3 Գործընթացի վերահսկման կետեր

1. Յոդի քանակի վերահսկում. Յոդի կոնցենտրացիան ազդում է տեղափոխման արագության վրա. օպտիմալ միջակայքը 5-8 մգ/սմ³ է:
2. Ջերմաստիճանի գրադիենտ. Պահպանեք գրադիենտը 50-100°C սահմաններում:
3. Աճի ժամանակը. Սովորաբար 7-14 օր, կախված ցանկալի բյուրեղի չափից։

3.4 Առավելությունների և թերությունների վերլուծություն

Առավելություններ՝

• Բարձրորակ միաբյուրեղներ կարելի է ձեռք բերել
• Ավելի մեծ բյուրեղային չափսեր
• Բարձր մաքրություն

Թերություններ՝

• Երկար աճի ցիկլեր
• Բարձր սարքավորումների պահանջներ
• Ցածր բերքատվություն

4. ZnTe նանոմատերիալների սինթեզի լուծույթի վրա հիմնված մեթոդ

4.1 Սկզբունք

Լուծույթի վրա հիմնված մեթոդները կարգավորում են նախորդող ռեակցիաները լուծույթում՝ ZnTe նանոմասնիկներ կամ նանոհաղորդիչներ պատրաստելու համար: Տիպիկ ռեակցիան հետևյալն է.

Zn²⁺ + H2Te⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Մանրամասն ընթացակարգ

4.2.1 Ռեակտիվի պատրաստում

1. Ցինկի աղբյուր՝ ցինկի ացետատ (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), մաքրություն ≥99.99%:
2. Տելուրիումի աղբյուր՝ տելուրիումի երկօքսիդ (TeO₂), մաքրություն ≥99.99%:
3. Վերականգնող նյութ՝ նատրիումի բորոհիդրիդ (NaBH₄), մաքրություն ≥98%:
4. Լուծիչներ՝ ապաիոնացված ջուր, էթիլենդիամին, էթանոլ։
5. Մակերևութային ակտիվ նյութ՝ ցետիլտրիմեթիլամոնիումի բրոմիդ (CTAB):

4.2.2 Տելուրիումի նախորդի պատրաստում

1. Լուծույթի պատրաստում. լուծեք 0.1 մմոլ TeO₂ 20 մլ ապաիոնացված ջրի մեջ:
2. Վերականգնման ռեակցիա՝ Ավելացրեք 0.5 մմոլ NaBH₄, մագնիսականորեն խառնեք 30 րոպե՝ HTe⁻ լուծույթ ստանալու համար։
   TeO2 + 3BH4- + 3H2O → HTe- + 3B(OH)3 + 3H2↑
3. Պաշտպանիչ մթնոլորտ. Պահպանեք ազոտի հոսքը ամբողջ տարածքում՝ օքսիդացումը կանխելու համար:

4.2.3 ZnTe նանոմասնիկների սինթեզ

1. Ցինկի լուծույթի պատրաստում. լուծեք 0.1 մմոլ ցինկի ացետատ 30 մլ էթիլենդիամինի մեջ:
2. Խառնման ռեակցիա՝ դանդաղորեն ավելացրեք HTe⁻ լուծույթը ցինկի լուծույթին, արձագանքեք 80°C ջերմաստիճանում 6 ժամ։
3. Ցենտրիֆուգացում. Ռեակցիայից հետո ցենտրիֆուգացրեք 10,000 պտ/ր արագությամբ 10 րոպե՝ արդյունքը հավաքելու համար։
4. Լվացում. հերթագայաբար երեք անգամ լվանալ էթանոլով և ապաիոնացված ջրով։
5. Չորացում՝ չորացնել վակուումային եղանակով 60°C ջերմաստիճանում 6 ժամ։

4.2.4 ZnTe նանոմատանի սինթեզ

1. Շաբլոնի ավելացում. ցինկի լուծույթին ավելացրեք 0.2 գ CTAB:
2. Հիդրոթերմալ ռեակցիա. Խառը լուծույթը տեղափոխեք 50 մլ տեֆլոնային ծածկույթով ավտոկլավի մեջ, ռեակցիայի մեջ մտցրեք 180°C ջերմաստիճանում 12 ժամ։
3. Հետմշակում. Նույնը, ինչ նանոմասնիկների համար։

4.3 Գործընթացի պարամետրերի օպտիմալացում

1. Ջերմաստիճանի կարգավորում՝ 80-90°C նանոմասնիկների համար, 180-200°C նանոհաղորդալարերի համար։
2. pH արժեքը՝ պահպանեք 9-11-ի սահմաններում։
3. Ռեակցիայի ժամանակը. նանոմասնիկների համար՝ 4-6 ժամ, նանոհաղորդալարերի համար՝ 12-24 ժամ։

4.4 Առավելությունների և թերությունների վերլուծություն

Առավելություններ՝

• Ցածր ջերմաստիճանի ռեակցիա, էներգախնայողություն
• Կառավարելի ձևաբանություն և չափս
• Հարմար է մեծածավալ արտադրության համար

Թերություններ՝

• Արտադրանքը կարող է պարունակել խառնուրդներ
• Պահանջում է հետմշակում
• Բյուրեղների ցածր որակ

5. Մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիա (MBE) ZnTe բարակ թաղանթի պատրաստման համար

5.1 Սկզբունք

MBE-ն աճեցնում է ZnTe միաբյուրեղային բարակ թաղանթներ՝ Zn-ի և Te-ի մոլեկուլային փնջերը գերբարձր վակուումային պայմաններում ուղղորդելով հիմքի վրա, ճշգրտորեն կարգավորելով փնջի հոսքի հարաբերակցությունը և հիմքի ջերմաստիճանը։

5.2 Մանրամասն ընթացակարգ

5.2.1 Համակարգի նախապատրաստում

1. Վակուումային համակարգ. Հիմնական վակուում ≤1×10⁻⁸Պա։
2. Աղբյուրի պատրաստում.
   • Ցինկի աղբյուր՝ 6N բարձր մաքրության ցինկ BN հալոցքում։
   • Թելուրի աղբյուր՝ 6N բարձր մաքրության թելուրիում PBN հալոցքում։
3. Հիմքի պատրաստում.
   • Հաճախ օգտագործվող GaAs(100) հիմք։
   • Հիմքի մաքրում. օրգանական լուծիչով մաքրում → թթվային փորագրություն → ապաիոնացված ջրով լվացում → ազոտով չորացում։

5.2.2 Աճի գործընթաց

1. Հիմքի արտանետում գազերից. Թխել 200°C ջերմաստիճանում 1 ժամ՝ մակերեսային ադսորբատները հեռացնելու համար:
2. Օքսիդների հեռացում. Տաքացրեք մինչև 580°C, պահեք 10 րոպե՝ մակերեսային օքսիդները հեռացնելու համար:
3. Բուֆերային շերտի աճեցում. Սառեցնել մինչև 300°C, աճեցնել 10 նմ ZnTe բուֆերային շերտ։
4. Հիմնական աճը.
   • Հիմքի ջերմաստիճանը՝ 280-320°C։
   • Ցինկի փնջի համարժեք ճնշում՝ 1×10⁻⁶Տոր։
   • Տելուրիումի փնջի համարժեք ճնշում՝ 2×10⁻⁶Տոր։
   • V/III հարաբերակցությունը կարգավորվում է 1.5-2.0-ի վրա։
   • Աճի տեմպը՝ 0.5-1մկմ/ժ։
5. Թրծում. Աճեցումից հետո թրծեք 250°C ջերմաստիճանում 30 րոպե:

5.2.3 Տեղում մոնիթորինգ

1. RHEED մոնիթորինգ. Մակերեսի վերակառուցման և աճի ռեժիմի իրական ժամանակի դիտարկում։
2. Զանգվածային սպեկտրոմետրիա. վերահսկեք մոլեկուլային ճառագայթի ինտենսիվությունը:
3. Ինֆրակարմիր ջերմաչափություն. Հիմքի ջերմաստիճանի ճշգրիտ վերահսկում:

5.3 Գործընթացի վերահսկման կետեր

1. Ջերմաստիճանի կարգավորում. Հիմքի ջերմաստիճանը ազդում է բյուրեղների որակի և մակերեսի ձևաբանության վրա։
2. Ճառագայթի հոսքի հարաբերակցություն. Te/Zn հարաբերակցությունը ազդում է արատների տեսակների և կոնցենտրացիաների վրա:
3. Աճի տեմպ. ցածր տեմպերը բարելավում են բյուրեղների որակը։

5.4 Առավելությունների և թերությունների վերլուծություն

Առավելություններ՝

• Ճշգրիտ կազմ և դոպինգի վերահսկում։
• Բարձրորակ միաբյուրեղային թաղանթներ։
• Ատոմային հարթ մակերեսներ հասանելի են։

Թերություններ՝

• Թանկարժեք սարքավորումներ։
• Դանդաղ աճի տեմպեր։
• Պահանջում է առաջադեմ գործառնական հմտություններ։

6. Սինթեզի այլ մեթոդներ

6.1 Քիմիական գոլորշու նստեցում (ՔԳՆ)

1. Նախորդողներ՝ դիէթիլցինկ (DEZn) և դիիզոպրոպիլտելուրիդ (DIPTe):
2. Ռեակցիայի ջերմաստիճանը՝ 400-500°C։
3. Կրող գազ. Բարձր մաքրության ազոտ կամ ջրածին։
4. Ճնշում. Մթնոլորտային կամ ցածր ճնշում (10-100 Տորր):

6.2 Ջերմային գոլորշիացում

1. Աղբյուրի նյութ՝ բարձր մաքրության ZnTe փոշի։
2. Վակուումի մակարդակ՝ ≤1×10⁻⁴Պա։
3. Գոլորշիացման ջերմաստիճան՝ 1000-1100°C։
4. Հիմքի ջերմաստիճանը՝ 200-300°C։

7. Եզրակացություն

Ցինկի տելուրիդ սինթեզի համար գոյություն ունեն տարբեր մեթոդներ, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի իր առավելություններն ու թերությունները: Պինդ վիճակում ռեակցիան հարմար է զանգվածային նյութերի պատրաստման համար, գոլորշու փոխադրումը տալիս է բարձրորակ միաբյուրեղներ, լուծույթի մեթոդները իդեալական են նանոմատերիալների համար, իսկ MBE-ն օգտագործվում է բարձրորակ բարակ թաղանթների համար: Գործնական կիրառությունները պետք է ընտրեն համապատասխան մեթոդը՝ հիմնվելով պահանջների վրա, գործընթացի պարամետրերի խիստ վերահսկմամբ՝ բարձր արդյունավետությամբ ZnTe նյութեր ստանալու համար: Ապագա ուղղությունները ներառում են ցածր ջերմաստիճանի սինթեզ, ձևաբանության վերահսկում և լեգիրման գործընթացի օպտիմալացում: