אבץ טלורייד (ZnTe), חומר מוליך למחצה II-VI חשוב, נמצא בשימוש נרחב בזיהוי אינפרא אדום, תאים סולאריים והתקנים אופטואלקטרוניים. ההתקדמות האחרונה בננוטכנולוגיה וכימיה ירוקה עשתה אופטימיזציה לייצור שלה. להלן תהליכי הייצור המרכזיים הנוכחיים של ZnTe ופרמטרים מרכזיים, כולל שיטות מסורתיות ושיפורים מודרניים:
_______________________________________
I. תהליך ייצור מסורתי (סינתזה ישירה)
1. הכנת חומר גלם
• אבץ בטוהר גבוה (Zn) וטלוריום (Te): טוהר ≥99.999% (דרגת 5N), מעורבב ביחס מולרי של 1:1.
• גז מגן: ארגון בטוהר גבוה (Ar) או חנקן (N₂) למניעת חמצון.
2. זרימת תהליך
• שלב 1: סינתזה של התכת ואקום
o לערבב אבקות Zn ו-Te בצינור קוורץ ולפנות ל-≤10⁻³ Pa.
o תוכנית חימום: מחממים ב-5-10°C/דקה ל-500-700°C, החזק למשך 4-6 שעות.
o משוואת תגובה: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• שלב 2: חישול
o חישול המוצר הגולמי ב-400-500 מעלות צלזיוס למשך 2-3 שעות כדי להפחית את פגמי הסריג.
• שלב 3: ריסוק וניפוי
o השתמש בטחנת כדורים כדי לטחון את החומר בתפזורת לגודל חלקיקי היעד (טחינת כדורים באנרגיה גבוהה עבור ננומטרים).
3. פרמטרים מרכזיים
• דיוק בקרת טמפרטורה: ±5°C
• קצב קירור: 2-5 מעלות צלזיוס לדקה (כדי למנוע סדקי מתח תרמיים)
• גודל חלקיקי חומר גלם: Zn (100-200 mesh), Te (200-300 mesh)
_______________________________________
II. תהליך מודרני משופר (שיטת סולווותרמית)
השיטה הסולווותרמית היא הטכניקה המרכזית לייצור ZnTe בקנה מידה ננומטרי, המציעה יתרונות כמו גודל החלקיקים הניתן לשליטה וצריכת אנרגיה נמוכה.
1. חומרי גלם וממיסים
• מבשרים: חנקתי אבץ (Zn(NO₃)₂) ונתרן טלוריט (Na₂TeO₃) או אבקת טלוריום (Te).
• חומרים מפחיתים: הידראזין הידראט (N₂H₄·H₂O) או נתרן בוורוהידריד (NaBH₄).
• ממיסים: אתילנדיאמין (EDA) או מים מופחתים (מים DI).
2. זרימת תהליך
• שלב 1: פירוק מבשר
o ממיסים Zn(NO₃)₂ ו-Na₂TeO₃ ביחס מולרי של 1:1 בממס תחת ערבוב.
• שלב 2: תגובת הפחתה
o הוסף את חומר ההפחתה (למשל, N₂H₄·H₂O) ואטום באוטוקלאב בלחץ גבוה.
o תנאי תגובה:
טמפרטורה: 180-220 מעלות צלזיוס
זמן: 12–24 שעות
לחץ: נוצר בעצמו (3-5 MPa)
o משוואת תגובה:Zn2++TeO32−+חומר מפחית →ZnTe+תוצרי לוואי (למשל, H₂O, N₂)Zn2++TeO32−+חומר מפחית →ZnTe+תוצרי לוואי (למשל, H₂O, N₂)
• שלב 3: לאחר טיפול
o צנטריפוגה כדי לבודד את המוצר, שטפו 3-5 פעמים עם אתנול ומים DI.
o יבש תחת ואקום (60-80 מעלות צלזיוס למשך 4-6 שעות).
3. פרמטרים מרכזיים
• ריכוז מבשר: 0.1–0.5 מול/ליטר
• בקרת pH: 9-11 (תנאים בסיסיים מעדיפים תגובה)
• בקרת גודל החלקיקים: התאם באמצעות סוג ממס (למשל, EDA מניב ננו-חוטים; שלב מימי מניב ננו-חלקיקים).
_______________________________________
III. תהליכים מתקדמים אחרים
1. שקיעת אדים כימית (CVD)
• יישום: הכנת סרט דק (למשל, תאים סולאריים).
• מבשרים: דיאתילצינק (Zn(C₂H₅)₂) ודיאתילטלוריום (Te(C₂H₅)₂).
• פרמטרים:
o טמפרטורת השקיעה: 350-450 מעלות צלזיוס
o גז נשא: תערובת H₂/Ar (קצב זרימה: 50–100 sccm)
o לחץ: 10⁻²–10⁻³ טור
2. סגסוגת מכנית (כרסום כדורים)
• מאפיינים: סינתזה נטולת ממסים, בטמפרטורה נמוכה.
• פרמטרים:
o יחס כדור לאבקה: 10:1
o זמן טחינה: 20–40 שעות
o מהירות סיבוב: 300–500 סל"ד
_______________________________________
IV. בקרת איכות ואפיון
1. ניתוח טוהר: עקיפה של קרני רנטגן (XRD) למבנה הגביש (שיא ראשי ב-2θ ≈25.3°).
2. בקרת מורפולוגיה: מיקרוסקופ אלקטרונים העברה (TEM) עבור גודל ננו-חלקיקים (אופייני: 10-50 ננומטר).
3. יחס יסודות: ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרת אנרגיה (EDS) או ספקטרומטריית מסה פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICP-MS) כדי לאשר Zn ≈1:1.
_______________________________________
V. שיקולי בטיחות ואיכות הסביבה
1. טיפול בגזי פסולת: ספג H₂Te עם תמיסות אלקליות (למשל, NaOH).
2. שחזור ממסים: מיחזור ממסים אורגניים (למשל, EDA) באמצעות זיקוק.
3. אמצעי הגנה: השתמשו במסכות גז (להגנה על H₂Te) ובכפפות עמידות בפני קורוזיה.
_______________________________________
VI. מגמות טכנולוגיות
• סינתזה ירוקה: פיתוח מערכות פאזות מימיות להפחתת השימוש בממסים אורגניים.
• שינוי סימום: שפר את המוליכות על ידי סימום עם Cu, Ag וכו'.
• ייצור בקנה מידה גדול: אמצו כורים בזרימה רציפה כדי להשיג מנות בקנה מידה ק"ג.
זמן פרסום: 21-3-2025