Теллурид цинка (ZnTe), важный полупроводниковый материал II-VI, широко используется в инфракрасном детектировании, солнечных батареях и оптоэлектронных устройствах. Недавние достижения в области нанотехнологий и зеленой химии оптимизировали его производство. Ниже приведены текущие основные процессы производства ZnTe и основные параметры, включая традиционные методы и современные усовершенствования:
________________________________________
I. Традиционный процесс производства (прямой синтез)
1. Подготовка сырья
• Высокочистый цинк (Zn) и теллур (Te): чистота ≥99,999% (класс 5N), смешанные в молярном соотношении 1:1.
• Защитный газ: аргон (Ar) или азот (N₂) высокой чистоты для предотвращения окисления.
2. Поток процесса
• Шаг 1: Синтез методом вакуумного плавления
o Смешайте порошки Zn и Te в кварцевой трубке и откачайте до давления ≤10⁻³ Па.
o Программа нагрева: Нагревать со скоростью 5–10 °C/мин до 500–700 °C, выдерживать в течение 4–6 часов.
o Уравнение реакции:Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• Шаг 2: Отжиг
o Отжигайте сырой продукт при температуре 400–500°C в течение 2–3 часов для уменьшения дефектов решетки.
• Шаг 3: Дробление и просеивание
o Используйте шаровую мельницу для измельчения сыпучего материала до целевого размера частиц (высокоэнергетическая шаровая мельница для наномасштабов).
3. Ключевые параметры
• Точность контроля температуры: ±5°C
• Скорость охлаждения: 2–5°C/мин (во избежание образования трещин от термического напряжения)
• Размер частиц сырья: Zn (100–200 меш), Te (200–300 меш)
________________________________________
II. Современный усовершенствованный процесс (сольвотермальный метод)
Сольвотермический метод является основным методом производства наноразмерного ZnTe, предлагая такие преимущества, как контролируемый размер частиц и низкое потребление энергии.
1. Сырье и растворители
• Прекурсоры: нитрат цинка (Zn(NO₃)₂) и теллурит натрия (Na₂TeO₃) или порошок теллура (Te).
• Восстановители: гидрат гидразина (N₂H₄·H₂O) или боргидрид натрия (NaBH₄).
• Растворители: этилендиамин (ЭДА) или деионизированная вода (ДИ-вода).
2. Поток процесса
• Шаг 1: Растворение прекурсора
o Растворите Zn(NO₃)₂ и Na₂TeO₃ в молярном соотношении 1:1 в растворителе при перемешивании.
• Шаг 2: Реакция восстановления
o Добавьте восстановитель (например, N₂H₄·H₂O) и запечатайте в автоклаве высокого давления.
o Условия реакции:
Температура: 180–220°C
Время: 12–24 часа
Давление: Самогенерируемое (3–5 МПа)
o Уравнение реакции:Zn2++TeO32−+Восстановитель→ZnTe+Побочные продукты (например, H₂O, N₂)Zn2++TeO32−+Восстановитель→ZnTe+Побочные продукты (например, H₂O, N₂)
• Шаг 3: Последующая обработка
o Центрифугируйте для выделения продукта, промойте 3–5 раз этанолом и деионизированной водой.
o Сушите под вакуумом (60–80°C в течение 4–6 часов).
3. Ключевые параметры
• Концентрация прекурсора: 0,1–0,5 моль/л
• Контроль pH: 9–11 (щелочные условия благоприятствуют реакции)
• Контроль размера частиц: регулируется с помощью типа растворителя (например, EDA дает нанопроволоки; водная фаза дает наночастицы).
________________________________________
III. Другие передовые процессы
1. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
• Применение: Изготовление тонких пленок (например, солнечных элементов).
• Прекурсоры: диэтилцинк (Zn(C₂H₅)₂) и диэтилтеллур (Te(C₂H₅)₂).
• Параметры:
o Температура осаждения: 350–450°C
o Газ-носитель: смесь H₂/Ar (расход: 50–100 см3/мин)
o Давление: 10⁻²–10⁻³ Торр
2. Механическое легирование (шаровая мельница)
• Особенности: низкотемпературный синтез без растворителей.
• Параметры:
o Соотношение шариков и пороха: 10:1
o Время фрезерования: 20–40 часов
o Скорость вращения: 300–500 об/мин
________________________________________
IV. Контроль качества и характеристика
1. Анализ чистоты: рентгеновская дифракция (XRD) для определения кристаллической структуры (главный пик при 2θ ≈25,3°).
2. Контроль морфологии: просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) для определения размера наночастиц (типично: 10–50 нм).
3. Соотношение элементов: энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) или масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) для подтверждения Zn ≈1:1.
________________________________________
V. Безопасность и экологические соображения
1. Очистка отходящих газов: Поглощение H₂Te щелочными растворами (например, NaOH).
2. Восстановление растворителя: переработка органических растворителей (например, ЭДА) путем дистилляции.
3. Меры защиты: используйте противогазы (для защиты от H₂Te) и коррозионно-стойкие перчатки.
________________________________________
VI.Технологические тенденции
• Зеленый синтез: разработка систем на водной фазе для сокращения использования органических растворителей.
• Модификация легирования: повышение проводимости путем легирования Cu, Ag и т. д.
• Крупномасштабное производство: использование реакторов непрерывного действия для получения партий килограммового масштаба.
Время публикации: 21-мар-2025