1. Introdución

O telururo de zinc (ZnTe) é un importante material semicondutor do grupo II-VI cunha estrutura de banda prohibida directa. Á temperatura ambiente, a súa banda prohibida é de aproximadamente 2,26 eV e atopa amplas aplicacións en dispositivos optoelectrónicos, células solares, detectores de radiación e outros campos. Este artigo proporcionará unha introdución detallada a varios procesos de síntese para o telururo de zinc, incluíndo a reacción en estado sólido, o transporte de vapor, os métodos baseados en solucións, a epitaxia de feixe molecular, etc. Cada método explicarase exhaustivamente en termos dos seus principios, procedementos, vantaxes e desvantaxes, e consideracións clave.

2. Método de reacción en estado sólido para a síntese de ZnTe

2.1 Principio

O método de reacción en estado sólido é o enfoque máis tradicional para a preparación de telururo de zinc, onde o zinc e o telurio de alta pureza reaccionan directamente a altas temperaturas para formar ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Procedemento detallado

2.2.1 Preparación da materia prima

1. Selección de materiais: usar gránulos de zinc de alta pureza e terróns de teluro cunha pureza ≥99,999 % como materiais de partida.
2. Pretratamento do material:
   • Tratamento con zinc: primeiro mergullarse en ácido clorhídrico diluído (5 %) durante 1 minuto para eliminar os óxidos superficiais, enxaugar con auga desionizada, lavar con etanol anhidro e, finalmente, secar nun forno de baleiro a 60 °C durante 2 horas.
   • Tratamento con teluro: primeiro mergullar en auga rexia (HNO₃:HCl=1:3) durante 30 segundos para eliminar os óxidos superficiais, enxaugar con auga desionizada ata que sexa neutra, lavar con etanol anhidro e finalmente secar nun forno de baleiro a 80 °C durante 3 horas.
3. Pesaxe: Pesar as materias primas en proporción estequiométrica (Zn:Te=1:1). Tendo en conta a posible volatilización do zinc a altas temperaturas, pódese engadir un exceso do 2-3 %.

2.2.2 Mestura de materiais

1. Moenda e mestura: Colocar o zinc e o telurio pesados ​​nun morteiro de ágata e moer durante 30 minutos nunha caixa de luvas chea de argon ata que estea mesturado uniformemente.
2. Peletización: Coloque o po mesturado nun molde e prémao en gránulos con diámetros de 10-20 mm a unha presión de 10-15 MPa.

2.2.3 Preparación do recipiente de reacción

1. Tratamento de tubos de cuarzo: seleccione tubos de cuarzo de alta pureza (diámetro interior 20-30 mm, grosor de parede 2-3 mm), primeiro mergúlleos en auga rexia durante 24 horas, enxágüe ben con auga desionizada e séqueos nun forno a 120 °C.
2. Evacuación: Coloque os gránulos de materia prima no tubo de cuarzo, conécteo a un sistema de baleiro e evacúeo a ≤10⁻³Pa.
3. Selado: Selar o tubo de cuarzo cunha chama de hidróxeno-osíxeno, garantindo unha lonxitude de selado ≥50 mm para a estanqueidade.

2.2.4 Reacción a alta temperatura

1. Primeira fase de quentamento: colocar o tubo de cuarzo selado nun forno tubular e quentar a 400 °C a unha velocidade de 2-3 °C/min, mantendo durante 12 horas para permitir a reacción inicial entre o zinc e o teluro.
2. Segunda fase de quentamento: continuar o quentamento ata 950-1050 °C (por debaixo do punto de abrandamento do cuarzo de 1100 °C) a 1-2 °C/min, mantendo durante 24-48 horas.
3. Axitación do tubo: Durante a fase de alta temperatura, incline o forno a 45° cada 2 horas e axite varias veces para garantir unha mestura completa dos reactivos.
4. Arrefriamento: Unha vez completada a reacción, arrefriar lentamente ata a temperatura ambiente a 0,5-1 °C/min para evitar que a mostra se rache debido á tensión térmica.

2.2.5 Procesamento do produto

1. Eliminación do produto: Abra o tubo de cuarzo nunha caixa de luvas e retire o produto da reacción.
2. Moenda: Moer de novo o produto en po para eliminar calquera material que non reaccionase.
3. Recocido: Recocer o po a 600 °C en atmosfera de argon durante 8 horas para aliviar a tensión interna e mellorar a cristalinidade.
4. Caracterización: Realizar XRD, SEM, EDS, etc., para confirmar a pureza da fase e a composición química.

2.3 Optimización dos parámetros do proceso

1. Control da temperatura: A temperatura de reacción óptima é de 1000 ± 20 °C. As temperaturas máis baixas poden provocar unha reacción incompleta, mentres que as temperaturas máis altas poden provocar a volatilización do cinc.
2. Control do tempo: o tempo de espera debe ser ≥24 horas para garantir unha reacción completa.
3. Velocidade de arrefriamento: Un arrefriamento lento (0,5-1 °C/min) produce grans cristalinos máis grandes.

2.4 Análise de vantaxes e desvantaxes

Vantaxes:

• Proceso sinxelo, baixos requisitos de equipamento
• Apto para a produción por lotes
• alta pureza do produto

Desvantaxes:

• Alta temperatura de reacción, alto consumo de enerxía
• Distribución granulométrica non uniforme
• Pode conter pequenas cantidades de materiais sen reaccionar

3. Método de transporte de vapor para a síntese de ZnTe

3.1 Principio

O método de transporte de vapor emprega un gas portador para transportar os vapores reactivos a unha zona de baixa temperatura para a súa deposición, conseguindo un crecemento direccional de ZnTe controlando os gradientes de temperatura. O iodo úsase habitualmente como axente de transporte:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Procedemento detallado

3.2.1 Preparación da materia prima

1. Selección de materiais: usar po de ZnTe de alta pureza (pureza ≥99,999 %) ou pos de Zn e Te mesturados estequiometricamente.
2. Preparación do axente de transporte: cristais de iodo de alta pureza (pureza ≥99,99%), dosificación de 5-10 mg/cm³ de volume do tubo de reacción.
3. Tratamento con tubos de cuarzo: Igual que o método de reacción en estado sólido, pero requírense tubos de cuarzo máis longos (300-400 mm).

3.2.2 Carga de tubos

1. Colocación do material: Coloque po de ZnTe ou mestura de Zn+Te nun extremo do tubo de cuarzo.
2. Adición de iodo: Engadir cristais de iodo ao tubo de cuarzo nunha caixa de luvas.
3. Evacuación: Evacuar a ≤10⁻³Pa.
4. Selado: Selar cunha chama de hidróxeno-osíxeno, mantendo o tubo horizontal.

3.2.3 Configuración do gradiente de temperatura

1. Temperatura da zona quente: axustada a 850-900 °C.
2. Temperatura da zona fría: axustada a 750-800 °C.
3. Lonxitude da zona de gradiente: aproximadamente 100-150 mm.

3.2.4 Proceso de crecemento

1. Primeira fase: Quentar a 500 °C a 3 °C/min, manter durante 2 horas para permitir a reacción inicial entre o iodo e as materias primas.
2. Segunda fase: Continuar o quecemento ata a temperatura establecida, manter o gradiente de temperatura e cultivar durante 7-14 días.
3. Arrefriamento: Unha vez completado o crecemento, arrefriar a temperatura ambiente a 1 °C/min.

3.2.5 Colección de produtos

1. Apertura do tubo: Abrir o tubo de cuarzo nunha guantera.
2. Recollida: Recoller monocristais de ZnTe no extremo frío.
3. Limpeza: Limpeza ultrasónica con etanol anhidro durante 5 minutos para eliminar o iodo adsorbido na superficie.

3.3 Puntos de control do proceso

1. Control da cantidade de iodo: a concentración de iodo afecta á taxa de transporte; o rango óptimo é de 5 a 8 mg/cm³.
2. Gradiente de temperatura: Manteña o gradiente entre 50 e 100 °C.
3. Tempo de crecemento: Normalmente de 7 a 14 días, dependendo do tamaño de cristal desexado.

3.4 Análise de vantaxes e desvantaxes

Vantaxes:

• Pódense obter monocristais de alta calidade
• Tamaños de cristal máis grandes
• alta pureza

Desvantaxes:

• Ciclos de crecemento longos
• Altos requisitos de equipamento
• Baixo rendemento

4. Método baseado en solucións para a síntese de nanomateriais de ZnTe

4.1 Principio

Os métodos baseados en solucións controlan as reaccións precursoras en solución para preparar nanopartículas ou nanofíos de ZnTe. Unha reacción típica é:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Procedemento detallado

4.2.1 Preparación de reactivos

1. Fonte de zinc: acetato de zinc (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), pureza ≥99,99 %.
2. Fonte de teluro: dióxido de teluro (TeO₂), pureza ≥99,99 %.
3. Axente redutor: borohidruro de sodio (NaBH₄), pureza ≥98 %.
4. Solventes: Auga desionizada, etilendiamina, etanol.
5. Tensioactivo: bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB).

4.2.2 Preparación do precursor de telurio

1. Preparación da solución: Disolver 0,1 mmol de TeO₂ en 20 ml de auga desionizada.
2. Reacción de redución: Engadir 0,5 mmol de NaBH₄, axitar magneticamente durante 30 minutos para xerar unha solución de HTe⁻.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. Atmosfera protectora: manter o fluxo de nitróxeno en todo momento para evitar a oxidación.

4.2.3 Síntese de nanopartículas de ZnTe

1. Preparación da solución de cinc: Disolver 0,1 mmol de acetato de cinc en 30 ml de etilendiamina.
2. Reacción de mestura: Engadir lentamente a solución de HTe⁻ á solución de zinc e facer reaccionar a 80 °C durante 6 horas.
3. Centrifugación: Despois da reacción, centrifugar a 10.000 rpm durante 10 minutos para recoller o produto.
4. Lavado: alternar o lavado con etanol e auga desionizada tres veces.
5. Secado: Secar ao baleiro a 60 °C durante 6 horas.

4.2.4 Síntese de nanofíos de ZnTe

1. Adición de molde: Engadir 0,2 g de CTAB á solución de zinc.
2. Reacción hidrotérmica: Transferir a solución mesturada a un autoclave revestido de teflón de 50 ml e facer reaccionar a 180 °C durante 12 horas.
3. Posprocesamento: O mesmo que para as nanopartículas.

4.3 Optimización dos parámetros do proceso

1. Control de temperatura: 80-90 °C para nanopartículas, 180-200 °C para nanofíos.
2. Valor do pH: Manter entre 9 e 11.
3. Tempo de reacción: 4-6 horas para nanopartículas, 12-24 horas para nanofíos.

4.4 Análise de vantaxes e desvantaxes

Vantaxes:

• Reacción a baixa temperatura, aforro de enerxía
• Morfoloxía e tamaño controlables
• Apto para a produción a grande escala

Desvantaxes:

• Os produtos poden conter impurezas
• Require posprocesamento
• Calidade cristalina inferior

5. Epitaxia de feixe molecular (MBE) para a preparación de películas finas de ZnTe

5.1 Principio

A MBE fai medrar películas delgadas monocristalinas de ZnTe dirixindo feixes moleculares de Zn e Te sobre un substrato en condicións de baleiro ultraalto, controlando con precisión as relacións de fluxo do feixe e a temperatura do substrato.

5.2 Procedemento detallado

5.2.1 Preparación do sistema

1. Sistema de baleiro: Baleiro base ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Preparación da fonte:
   • Fonte de zinc: zinc 6N de alta pureza en crisol BN.
   • Fonte de teluro: teluro 6N de alta pureza en crisol de PBN.
3. Preparación do substrato:
   • Substrato de GaAs(100) de uso común.
   • Limpeza do substrato: limpeza con solventes orgánicos → gravado con ácido → enxaugado con auga desionizada → secado con nitróxeno.

5.2.2 Proceso de crecemento

1. Desgasificación do substrato: Cocer a 200 °C durante 1 hora para eliminar os adsorbados superficiais.
2. Eliminación de óxidos: Quentar a 580 °C e manter durante 10 minutos para eliminar os óxidos superficiais.
3. Crecemento da capa tampón: Arrefriar a 300 °C, cultivar unha capa tampón de ZnTe de 10 nm.
4. Crecemento principal:
   • Temperatura do substrato: 280-320 °C.
   • Presión equivalente do feixe de zinc: 1×10⁻⁶Torr.
   • Presión equivalente do feixe de teluro: 2×10⁻⁶Torr.
   • Relación V/III controlada a 1,5-2,0.
   • Taxa de crecemento: 0,5-1 μm/h.
5. Recocido: Despois do crecemento, recocer a 250 °C durante 30 minutos.

5.2.3 Monitorización in situ

1. Monitorización RHEED: Observación en tempo real da reconstrución superficial e do modo de crecemento.
2. Espectrometría de masas: monitorización das intensidades dos feixes moleculares.
3. Termometría infravermella: control preciso da temperatura do substrato.

5.3 Puntos de control do proceso

1. Control da temperatura: A temperatura do substrato afecta á calidade do cristal e á morfoloxía da superficie.
2. Relación de fluxo de feixe: a relación Te/Zn inflúe nos tipos e concentracións de defectos.
3. Taxa de crecemento: as taxas máis baixas melloran a calidade do cristal.

5.4 Análise de vantaxes e desvantaxes

Vantaxes:

• Composición precisa e control antidopaxe.
• Películas monocristalinas de alta calidade.
• Superficies atomicamente planas alcanzables.

Desvantaxes:

• Equipamento caro.
• Taxas de crecemento lentas.
• Require habilidades operativas avanzadas.

6. Outros métodos de síntese

6.1 Deposición química de vapor (CVD)

1. Precursores: dietilcinco (DEZn) e diisopropiltelururo (DIPTe).
2. Temperatura de reacción: 400-500 °C.
3. Gas portador: nitróxeno ou hidróxeno de alta pureza.
4. Presión: Atmosférica ou baixa presión (10-100 Torr).

6.2 Evaporación térmica

1. Material orixinal: po de ZnTe de alta pureza.
2. Nivel de baleiro: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Temperatura de evaporación: 1000-1100 °C.
4. Temperatura do substrato: 200-300 °C.

7. Conclusión

Existen varios métodos para sintetizar telururo de zinc, cada un coas súas propias vantaxes e desvantaxes. A reacción en estado sólido é axeitada para a preparación de materiais a granel, o transporte de vapor produce monocristais de alta calidade, os métodos de solución son ideais para nanomateriais e a MBE úsase para películas delgadas de alta calidade. As aplicacións prácticas deberían seleccionar o método axeitado en función dos requisitos, cun control estrito dos parámetros do proceso para obter materiais de ZnTe de alto rendemento. As direccións futuras inclúen a síntese a baixa temperatura, o control da morfoloxía e a optimización do proceso de dopaxe.