Телурид цинку (ZnTe), важливий напівпровідниковий матеріал II-VI, широко використовується в інфрачервоному детектуванні, сонячних елементах і оптоелектронних пристроях. Останні досягнення в області нанотехнологій і екологічної хімії оптимізували його виробництво. Нижче наведено поточні основні процеси виробництва ZnTe та основні параметри, включаючи традиційні методи та сучасні вдосконалення:
_______________________________________
I. Традиційний процес виробництва (прямий синтез)
1. Підготовка сировини
• Високочистий цинк (Zn) і телур (Te): чистота ≥99,999% (сорт 5N), змішані в молярному співвідношенні 1:1.
• Захисний газ: аргон високої чистоти (Ar) або азот (N₂) для запобігання окисленню.
2. Хід процесу
• Крок 1: Синтез вакуумної плавки
o Змішайте порошки Zn і Te в кварцовій трубці та вакуумуйте до ≤10⁻³ Па.
o Програма нагріву: Нагрійте зі швидкістю 5–10°C/хв до 500–700°C, витримайте 4–6 годин.
o Рівняння реакції: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• Крок 2: Відпал
o Прожарити сирий продукт при 400–500°C протягом 2–3 годин, щоб зменшити дефекти решітки.
• Крок 3: Подрібнення та просіювання
o Використовуйте кульовий млин для подрібнення сипучого матеріалу до цільового розміру частинок (високоенергетичний кульовий млин для нанорозміру).
3. Ключові параметри
• Точність контролю температури: ±5°C
• Швидкість охолодження: 2–5°C/хв (щоб уникнути тріщин від термічної напруги)
• Розмір частинок сировини: Zn (100–200 меш), Te (200–300 меш)
_______________________________________
II. Сучасний вдосконалений процес (сольвотермічний метод)
Сольвотермічний метод є основним методом виробництва нанорозмірного ZnTe, який пропонує такі переваги, як контрольований розмір частинок і низьке споживання енергії.
1. Сировина та розчинники
• Попередники: нітрат цинку (Zn(NO₃)₂) і телурит натрію (Na₂TeO₃) або порошок телуру (Te).
• Відновники: Гідразингідрат (N₂H₄·H₂O) або борогідрид натрію (NaBH₄).
• Розчинники: етилендіамін (EDA) або деіонізована вода (DI вода).
2. Хід процесу
• Крок 1: Розчинення прекурсора
o Розчиніть Zn(NO₃)₂ і Na₂TeO3 у молярному співвідношенні 1:1 у розчиннику при перемішуванні.
• Крок 2: Реакція відновлення
o Додайте відновник (наприклад, N₂H₄·H₂O) і закрийте в автоклаві високого тиску.
o Умови реакції:
Температура: 180–220°C
Час: 12–24 години
Тиск: самогенерований (3–5 МПа)
o Рівняння реакції: Zn2++TeO32−+Відновник→ZnTe+Побічні продукти (наприклад, H₂O, N₂)Zn2++TeO32−+Відновник→ZnTe+Побічні продукти (наприклад, H₂O, N₂)
• Крок 3: Дообробка
o Відцентрифугувати для виділення продукту, промити 3–5 разів етанолом і деоногенною водою.
o Висушити під вакуумом (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: регулюйте за допомогою типу розчинника (наприклад, EDA дає нанодроти; водна фаза дає наночастинки).
_______________________________________
III. Інші вдосконалені процеси
1. Хімічне осадження з парової фази (CVD)
• Застосування: Тонкоплівковий препарат (наприклад, сонячні батареї).
• Попередники: діетилцинк (Zn(C₂H₅)₂) і діетилтелур (Te(C₂H5)₂).
• Параметри:
o Температура осадження: 350–450°C
o Газ-носій: суміш H₂/Ar (швидкість потоку: 50–100 sccm)
o Тиск: 10⁻²–10⁻³ Торр
2. Механічне сплавлення (кульове подрібнення)
• Особливості: Синтез без розчинників, при низькій температурі.
• Параметри:
o Співвідношення кульок до порошку: 10:1
o Час помелу: 20–40 годин
o 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. Морфологічний контроль: трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ) для визначення розміру наночастинок (типовий: 10–50 нм).
3. Елементне співвідношення: Енергодисперсійна рентгенівська спектроскопія (EDS) або мас-спектрометрія з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP-MS) для підтвердження Zn ≈1:1.
_______________________________________
V. Безпека та екологічні міркування
1. Очищення відпрацьованих газів: поглиніть H₂Te лужними розчинами (наприклад, NaOH).
2. Відновлення розчинника: переробляйте органічні розчинники (наприклад, EDA) шляхом дистиляції.
3. Захисні заходи: Використовуйте протигази (для захисту від H₂Te) і антикорозійні рукавички.
_______________________________________
VI. Технологічні тенденції
• Зелений синтез: розробка систем водної фази для зменшення використання органічних розчинників.
• Модифікація легування: підвищте провідність шляхом легування Cu, Ag тощо.
• Великомасштабне виробництво: використовуйте безперервні проточні реактори, щоб отримати партії в кг.
Час публікації: 21 березня 2025 р