Kẽm telluride (ZnTe), một vật liệu bán dẫn II-VI quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong phát hiện hồng ngoại, pin mặt trời và các thiết bị quang điện tử. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano và hóa học xanh đã tối ưu hóa sản xuất của nó. Dưới đây là các quy trình sản xuất ZnTe chính thống hiện tại và các thông số chính, bao gồm các phương pháp truyền thống và cải tiến hiện đại:
________________________________________
I. Quy trình sản xuất truyền thống (Tổng hợp trực tiếp)
1. Chuẩn bị nguyên liệu thô
• Kẽm (Zn) và telua (Te) có độ tinh khiết cao: Độ tinh khiết ≥99,999% (hạng 5N), trộn theo tỷ lệ mol 1:1.
• Khí bảo vệ: Argon (Ar) hoặc nitơ (N₂) có độ tinh khiết cao để chống oxy hóa.
2. Quy trình luồng
• Bước 1: Tổng hợp nóng chảy chân không
o Trộn bột Zn và Te trong ống thạch anh và hút chân không đến mức ≤10⁻³ Pa.
o Chương trình gia nhiệt: Làm nóng ở mức 5–10°C/phút đến 500–700°C, giữ trong 4–6 giờ.
o Phương trình phản ứng: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• Bước 2: Ủ
o Ủ sản phẩm thô ở nhiệt độ 400–500°C trong 2–3 giờ để giảm khuyết tật mạng tinh thể.
• Bước 3: Nghiền và sàng
o Sử dụng máy nghiền bi để nghiền vật liệu rời thành kích thước hạt mong muốn (nghiền bi năng lượng cao cho quy mô nano).
3. Các thông số chính
• Độ chính xác kiểm soát nhiệt độ: ±5°C
• Tốc độ làm mát: 2–5°C/phút (để tránh nứt do ứng suất nhiệt)
• Kích thước hạt nguyên liệu: Zn (100–200 lưới), Te (200–300 lưới)
________________________________________
II. Quy trình cải tiến hiện đại (Phương pháp nhiệt dung môi)
Phương pháp nhiệt dung môi là kỹ thuật chính thống để sản xuất ZnTe ở quy mô nano, mang lại những ưu điểm như kích thước hạt có thể kiểm soát được và mức tiêu thụ năng lượng thấp.
1. Nguyên liệu thô và dung môi
• Tiền chất: Kẽm nitrat (Zn(NO₃)₂) và natri tellurit (Na₂TeO₃) hoặc bột tellurium (Te).
• Chất khử: Hydrazine hydrate (N₂H₄·H₂O) hoặc natri borohydride (NaBH₄).
• Dung môi: Ethylenediamine (EDA) hoặc nước khử ion (nước DI).
2. Quy trình luồng
• Bước 1: Giải thể tiền chất
o Hòa tan Zn(NO₃)₂ và Na₂TeO₃ theo tỷ lệ mol 1:1 trong dung môi trong khi khuấy.
• Bước 2: Phản ứng khử
o Thêm chất khử (ví dụ, N₂H₄·H₂O) và đậy kín trong nồi hấp áp suất cao.
o Điều kiện phản ứng:
Nhiệt độ: 180–220°C
Thời gian: 12–24 giờ
Áp suất: Tự tạo (3–5 MPa)
o Phương trình phản ứng: Zn2++TeO32−+Chất khử→ZnTe+Sản phẩm phụ (ví dụ: H₂O, N₂)Zn2++TeO32−+Chất khử→ZnTe+Sản phẩm phụ (ví dụ: H₂O, N₂)
• Bước 3: Sau khi điều trị
o Ly tâm để cô lập sản phẩm, rửa 3–5 lần bằng etanol và nước DI.
o Sấy khô trong điều kiện chân không (60–80°C trong 4–6 giờ).
3. Các thông số chính
• Nồng độ tiền chất: 0,1–0,5 mol/L
• Kiểm soát pH: 9–11 (điều kiện kiềm có lợi cho phản ứng)
• Kiểm soát kích thước hạt: Điều chỉnh thông qua loại dung môi (ví dụ, EDA tạo ra dây nano; pha nước tạo ra hạt nano).
________________________________________
III. Các quy trình nâng cao khác
1. Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
• Ứng dụng: Chuẩn bị màng mỏng (ví dụ, pin mặt trời).
• Tiền chất: Diethylzinc (Zn(C₂H₅)₂) và diethyltellurium (Te(C₂H₅)₂).
• Các thông số:
o Nhiệt độ lắng đọng: 350–450°C
o Khí mang: hỗn hợp H₂/Ar (lưu lượng: 50–100 sccm)
o Áp suất: 10⁻²–10⁻³ Torr
2. Hợp kim cơ học (Phay bóng)
• Tính năng: Tổng hợp không cần dung môi, nhiệt độ thấp.
• Các thông số:
o Tỷ lệ bột/bóng: 10:1
o Thời gian xay xát: 20–40 giờ
o Tốc độ quay: 300–500 vòng/phút
________________________________________
IV. Kiểm soát chất lượng và đặc tính
1. Phân tích độ tinh khiết: Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể (đỉnh chính ở 2θ ≈25,3°).
2. Kiểm soát hình thái: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định kích thước hạt nano (thông thường: 10–50 nm).
3. Tỷ lệ nguyên tố: Phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) hoặc phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) để xác nhận Zn ≈1:1.
________________________________________
V. Các cân nhắc về an toàn và môi trường
1. Xử lý khí thải: Hấp thụ H₂Te bằng dung dịch kiềm (ví dụ: NaOH).
2. Thu hồi dung môi: Tái chế dung môi hữu cơ (ví dụ: EDA) thông qua chưng cất.
3. Biện pháp bảo vệ: Sử dụng mặt nạ phòng độc (để bảo vệ khỏi H₂Te) và găng tay chống ăn mòn.
________________________________________
VI. Xu hướng công nghệ
• Tổng hợp xanh: Phát triển hệ thống pha nước để giảm lượng dung môi hữu cơ sử dụng.
• Biến tính bằng pha tạp: Tăng độ dẫn điện bằng cách pha tạp Cu, Ag, v.v.
• Sản xuất quy mô lớn: Áp dụng lò phản ứng dòng chảy liên tục để đạt được các mẻ sản xuất quy mô kg.
Thời gian đăng: 21-03-2025