تيلورايد الزنك (ZnTe)، مادة شبه موصلة مهمة من النوع II-VI، تُستخدم على نطاق واسع في الكشف بالأشعة تحت الحمراء، والخلايا الشمسية، والأجهزة البصرية الإلكترونية. وقد حسّنت التطورات الحديثة في تكنولوجيا النانو والكيمياء الخضراء إنتاجه. فيما يلي عمليات إنتاج تيلورايد الزنك (ZnTe) السائدة حاليًا والمعايير الرئيسية، بما في ذلك الطرق التقليدية والتحسينات الحديثة:
________________________________________
1. عملية الإنتاج التقليدية (التوليف المباشر)
1. تحضير المواد الخام
• الزنك عالي النقاء (Zn) والتيلوريوم (Te): نقاء ≥99.999% (درجة 5N)، مخلوط بنسبة مولية 1:1.
• الغاز الواقي: الأرجون عالي النقاء (Ar) أو النيتروجين (N₂) لمنع الأكسدة.
2. تدفق العملية
• الخطوة 1: تركيب الذوبان الفراغي
o قم بخلط مسحوق الزنك والتيتانيوم في أنبوب الكوارتز ثم قم بتفريغهما إلى ≤10⁻³ باسكال.
برنامج التسخين: التسخين عند 5-10 درجة مئوية/دقيقة إلى 500-700 درجة مئوية، والاحتفاظ به لمدة 4-6 ساعات.
معادلة التفاعل: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• الخطوة 2: التلدين
o قم بتسخين المنتج الخام عند درجة حرارة 400-500 درجة مئوية لمدة 2-3 ساعات لتقليل عيوب الشبكة.
• الخطوة 3: السحق والغربلة
o استخدم مطحنة الكرات لطحن المواد السائبة إلى حجم الجسيمات المستهدف (طحن الكرات عالية الطاقة على نطاق النانو).
3. المعلمات الرئيسية
• دقة التحكم في درجة الحرارة: ±5 درجة مئوية
• معدل التبريد: 2-5 درجة مئوية/دقيقة (لتجنب الشقوق الناتجة عن الإجهاد الحراري)
• حجم جزيئات المادة الخام: الزنك (100-200 شبكة)، التيليوم (200-300 شبكة)
________________________________________
II. عملية حديثة مُحسّنة (طريقة الذوبان الحراري)
تعتبر طريقة الذوبان الحراري هي التقنية السائدة لإنتاج ZnTe على نطاق النانو، حيث توفر مزايا مثل حجم الجسيمات القابل للتحكم وانخفاض استهلاك الطاقة.
1. المواد الخام والمذيبات
• المواد الأولية: نترات الزنك (Zn(NO₃)₂) وتيلوريت الصوديوم (Na₂TeO₃) أو مسحوق التيلوريوم (Te).
• عوامل الاختزال: هيدرازين هيدرات (N₂H₄·H₂O) أو بوروهيدريد الصوديوم (NaBH₄).
• المذيبات: إيثيلين ديامين (EDA) أو الماء منزوع الأيونات (ماء DI).
2. تدفق العملية
• الخطوة 1: إذابة المادة الأولية
o قم بإذابة Zn(NO₃)₂ وNa₂TeO₃ بنسبة مولية 1:1 في المذيب مع التحريك.
• الخطوة 2: تفاعل الاختزال
o أضف عامل الاختزال (على سبيل المثال، N₂H₄·H₂O) وأغلقه في وعاء ضغط عالي.
o ظروف التفاعل:
درجة الحرارة: 180–220 درجة مئوية
الوقت: 12-24 ساعة
الضغط: ذاتي التوليد (3-5 ميجا باسكال)
معادلة التفاعل: Zn2++TeO32−+عامل اختزال→ZnTe+منتجات ثانوية (مثل H₂O، N₂)Zn2++TeO32−+عامل اختزال→ZnTe+منتجات ثانوية (مثل H₂O، N₂)
• الخطوة 3: ما بعد العلاج
o استخدم أجهزة الطرد المركزي لعزل المنتج، ثم اغسله 3-5 مرات بالإيثانول والماء المقطر.
o تجفيف تحت الفراغ (60-80 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات).
3. المعلمات الرئيسية
• تركيز المادة السابقة: 0.1–0.5 مول/لتر
• التحكم في درجة الحموضة: 9-11 (الظروف القلوية تساعد على التفاعل)
• التحكم في حجم الجسيمات: التعديل من خلال نوع المذيب (على سبيل المثال، ينتج EDA أسلاكًا نانوية؛ وينتج الطور المائي جسيمات نانوية).
________________________________________
ثالثًا. عمليات متقدمة أخرى
1. الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)
• التطبيق: تحضير الأغشية الرقيقة (على سبيل المثال، الخلايا الشمسية).
• المواد الأولية: ثنائي إيثيل الزنك (Zn(C₂H₅)₂) وثنائي إيثيل التيلوريوم (Te(C₂H₅)₂).
• حدود:
درجة حرارة الترسيب: 350-450 درجة مئوية
o غاز ناقل: خليط H₂/Ar (معدل التدفق: 50-100 سم مكعب قياسي)
الضغط: 10⁻²–10⁻³ تور
2. السبائك الميكانيكية (طحن الكرات)
• المميزات: تخليق خالٍ من المذيبات، ودرجة حرارة منخفضة.
• حدود:
نسبة الكرة إلى المسحوق: 10:1
o وقت الطحن: 20-40 ساعة
o سرعة الدوران: 300-500 دورة في الدقيقة
________________________________________
رابعًا: مراقبة الجودة والتوصيف
1. تحليل النقاء: حيود الأشعة السينية (XRD) للبنية البلورية (الذروة الرئيسية عند 2θ ≈25.3 درجة).
2. التحكم في الشكل: المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لحجم الجسيمات النانوية (نموذجي: 10-50 نانومتر).
3. نسبة العناصر: مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) أو مطيافية الكتلة البلازمية المقترنة بالحث (ICP-MS) لتأكيد أن Zn ≈1:1.
________________________________________
خامسًا. اعتبارات السلامة والبيئة
1. معالجة الغازات العادمة: امتصاص H₂Te بالمحاليل القلوية (على سبيل المثال، NaOH).
2. استعادة المذيبات: إعادة تدوير المذيبات العضوية (على سبيل المثال، EDA) عن طريق التقطير.
3. الإجراءات الوقائية: استخدم أقنعة الغاز (للحماية من H₂Te) والقفازات المقاومة للتآكل.
________________________________________
السادس. الاتجاهات التكنولوجية
• التركيب الأخضر: تطوير أنظمة الطور المائي لتقليل استخدام المذيبات العضوية.
• تعديل المنشطات: تعزيز الموصلية عن طريق المنشطات بالنحاس والفضة وما إلى ذلك.
• الإنتاج على نطاق واسع: اعتماد مفاعلات التدفق المستمر لتحقيق دفعات بمقياس الكيلوجرام.
وقت النشر: ٢١ مارس ٢٠٢٥