१. परिचय
झिंक टेल्युराइड (ZnTe) ही एक महत्त्वाची II-VI गटातील अर्धसंवाहक सामग्री आहे ज्याची थेट बँडगॅप रचना आहे. खोलीच्या तपमानावर, त्याचा बँडगॅप अंदाजे 2.26eV असतो आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, सौर पेशी, रेडिएशन डिटेक्टर आणि इतर क्षेत्रात त्याचा विस्तृत उपयोग होतो. हा लेख झिंक टेल्युराइडसाठी विविध संश्लेषण प्रक्रियांचा तपशीलवार परिचय देईल, ज्यामध्ये घन-अवस्था प्रतिक्रिया, बाष्प वाहतूक, द्रावण-आधारित पद्धती, आण्विक बीम एपिटॅक्सी इत्यादींचा समावेश आहे. प्रत्येक पद्धतीचे त्याच्या तत्त्वे, कार्यपद्धती, फायदे आणि तोटे आणि प्रमुख बाबींच्या संदर्भात सखोल वर्णन केले जाईल.
२. ZnTe संश्लेषणासाठी घन-अवस्था अभिक्रिया पद्धत
२.१ तत्व
झिंक टेल्युराइड तयार करण्यासाठी घन-अवस्था अभिक्रिया पद्धत ही सर्वात पारंपारिक पद्धत आहे, जिथे उच्च-शुद्धता असलेले झिंक आणि टेल्युरियम उच्च तापमानावर थेट प्रतिक्रिया देऊन ZnTe तयार करतात:
Zn + Te → ZnTe
२.२ तपशीलवार प्रक्रिया
२.२.१ कच्च्या मालाची तयारी
- साहित्य निवड: सुरुवातीच्या साहित्य म्हणून उच्च-शुद्धता असलेले झिंक ग्रॅन्यूल आणि ≥९९.९९९% शुद्धतेसह टेल्युरियम लम्प वापरा.
- साहित्य पूर्व-उपचार:
- झिंक उपचार: पृष्ठभागावरील ऑक्साईड काढून टाकण्यासाठी प्रथम पातळ हायड्रोक्लोरिक आम्लात (५%) १ मिनिट बुडवा, नंतर विआयनीकृत पाण्याने स्वच्छ धुवा, निर्जल इथेनॉलने धुवा आणि शेवटी व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये ६०°C वर २ तास वाळवा.
- टेल्युरियम उपचार: प्रथम पृष्ठभागावरील ऑक्साईड काढून टाकण्यासाठी अ‍ॅक्वा रेजिया (HNO₃:HCl=1:3) मध्ये 30 सेकंद बुडवा, तटस्थ होईपर्यंत डीआयोनाइज्ड पाण्याने स्वच्छ धुवा, निर्जल इथेनॉलने धुवा आणि शेवटी 80°C वर व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये 3 तास वाळवा.
- वजन करणे: कच्च्या मालाचे वजन स्टोइचियोमेट्रिक प्रमाणात करा (Zn:Te=1:1). उच्च तापमानात शक्य असलेल्या जस्त अस्थिरतेचा विचार करता, २-३% जास्तीचा झिंक जोडला जाऊ शकतो.
२.२.२ मटेरियल मिक्सिंग
- दळणे आणि मिसळणे: वजन केलेले झिंक आणि टेल्युरियम एका अ‍ॅगेट मोर्टारमध्ये ठेवा आणि आर्गनने भरलेल्या ग्लोव्ह बॉक्समध्ये 30 मिनिटे एकसारखे मिसळेपर्यंत बारीक करा.
- पेलेटायझिंग: मिश्रित पावडर एका साच्यात ठेवा आणि १०-१५ एमपीए दाबाखाली १०-२० मिमी व्यासाच्या पेलेटमध्ये दाबा.
२.२.३ प्रतिक्रिया जहाजाची तयारी
- क्वार्ट्ज ट्यूब ट्रीटमेंट: उच्च-शुद्धता असलेल्या क्वार्ट्ज ट्यूब निवडा (अंतर्गत व्यास २०-३० मिमी, भिंतीची जाडी २-३ मिमी), प्रथम २४ तासांसाठी एक्वा रेजियामध्ये भिजवा, विआयनीकृत पाण्याने चांगले धुवा आणि १२०°C वर ओव्हनमध्ये वाळवा.
- बाहेर काढणे: कच्च्या मालाच्या गोळ्या क्वार्ट्ज ट्यूबमध्ये ठेवा, व्हॅक्यूम सिस्टमशी जोडा आणि ≤10⁻³Pa पर्यंत बाहेर काढा.
- सीलिंग: हायड्रोजन-ऑक्सिजन ज्वाला वापरून क्वार्ट्ज ट्यूब सील करा, हवाबंद होण्यासाठी सीलिंग लांबी ≥50 मिमी सुनिश्चित करा.
२.२.४ उच्च-तापमान अभिक्रिया
- पहिला तापवण्याचा टप्पा: सीलबंद क्वार्ट्ज ट्यूब एका ट्यूब फर्नेसमध्ये ठेवा आणि झिंक आणि टेल्युरियममध्ये सुरुवातीची प्रतिक्रिया होण्यासाठी 2-3°C/मिनिट या दराने 400°C पर्यंत गरम करा, 12 तास धरून ठेवा.
- दुसरा तापविण्याचा टप्पा: ९५०-१०५०°C पर्यंत (११००°C च्या क्वार्ट्ज सॉफ्टनिंग पॉइंटच्या खाली) १-२°C/मिनिट या दराने २४-४८ तासांपर्यंत गरम करत राहा.
- ट्यूब रॉकिंग: उच्च-तापमानाच्या अवस्थेत, दर 2 तासांनी भट्टी 45° वर वाकवा आणि अभिक्रियाकांचे पूर्णपणे मिश्रण सुनिश्चित करण्यासाठी अनेक वेळा हलवा.
- थंड करणे: प्रतिक्रिया पूर्ण झाल्यानंतर, थर्मल स्ट्रेसमुळे नमुना क्रॅक होऊ नये म्हणून खोलीच्या तपमानावर ०.५-१°C/मिनिट या वेगाने थंड करा.
२.२.५ उत्पादन प्रक्रिया
- उत्पादन काढणे: ग्लोव्ह बॉक्समध्ये क्वार्ट्ज ट्यूब उघडा आणि प्रतिक्रिया उत्पादन काढा.
- दळणे: कोणतेही अप्रक्रियाकृत पदार्थ काढून टाकण्यासाठी उत्पादन पुन्हा पावडरमध्ये मिसळा.
- एनीलिंग: अंतर्गत ताण कमी करण्यासाठी आणि स्फटिकता सुधारण्यासाठी पावडरला ६००°C वर आर्गॉन वातावरणात ८ तासांसाठी एनील करा.
- वैशिष्ट्यीकरण: टप्प्याची शुद्धता आणि रासायनिक रचना निश्चित करण्यासाठी XRD, SEM, EDS इत्यादी करा.
२.३ प्रक्रिया पॅरामीटर ऑप्टिमायझेशन
- तापमान नियंत्रण: इष्टतम अभिक्रिया तापमान १०००±२०°C आहे. कमी तापमानामुळे अपूर्ण अभिक्रिया होऊ शकते, तर जास्त तापमानामुळे झिंक अस्थिर होऊ शकते.
- वेळ नियंत्रण: संपूर्ण प्रतिक्रिया सुनिश्चित करण्यासाठी धरून ठेवण्याचा वेळ ≥२४ तास असावा.
- थंड होण्याचा दर: मंद थंड होण्यामुळे (०.५-१°C/मिनिट) मोठे क्रिस्टल कण मिळतात.
२.४ फायदे आणि तोटे विश्लेषण
फायदे:
- सोपी प्रक्रिया, कमी उपकरणांची आवश्यकता
- बॅच उत्पादनासाठी योग्य
- उच्च उत्पादन शुद्धता
तोटे:
- उच्च प्रतिक्रिया तापमान, उच्च ऊर्जा वापर
- धान्य आकाराचे एकसमान वितरण
- थोड्या प्रमाणात अप्रतिक्रियाशील पदार्थ असू शकतात.
३. ZnTe संश्लेषणासाठी बाष्प वाहतूक पद्धत
३.१ तत्व
बाष्प वाहतूक पद्धत कमी-तापमानाच्या क्षेत्रात अभिक्रियाकारक वाष्पांचे निक्षेपण करण्यासाठी वाहक वायूचा वापर करते, ज्यामुळे तापमान ग्रेडियंट नियंत्रित करून ZnTe ची दिशात्मक वाढ साध्य होते. आयोडीन सामान्यतः वाहतूक एजंट म्हणून वापरले जाते:
ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)
३.२ तपशीलवार प्रक्रिया
३.२.१ कच्च्या मालाची तयारी
- साहित्य निवड: उच्च-शुद्धता ZnTe पावडर (शुद्धता ≥99.999%) किंवा स्टोइचियोमेट्रिकली मिश्रित Zn आणि Te पावडर वापरा.
- ट्रान्सपोर्ट एजंट तयार करणे: उच्च-शुद्धता आयोडीन क्रिस्टल्स (शुद्धता ≥99.99%), डोस 5-10mg/cm³ रिअॅक्शन ट्यूब व्हॉल्यूम.
- क्वार्ट्ज ट्यूब ट्रीटमेंट: घन-अवस्था अभिक्रिया पद्धतीप्रमाणेच, परंतु लांब क्वार्ट्ज ट्यूब (३००-४०० मिमी) आवश्यक आहेत.
३.२.२ ट्यूब लोडिंग
- मटेरियल प्लेसमेंट: क्वार्ट्ज ट्यूबच्या एका टोकाला ZnTe पावडर किंवा Zn+Te मिश्रण ठेवा.
- आयोडीन जोडणे: ग्लोव्ह बॉक्समध्ये क्वार्ट्ज ट्यूबमध्ये आयोडीन क्रिस्टल्स घाला.
- निर्वासन: ≤10⁻³Pa पर्यंत निर्वासन करा.
- सीलिंग: नळी आडवी ठेवून हायड्रोजन-ऑक्सिजन ज्वालाने सील करा.
३.२.३ तापमान ग्रेडियंट सेटअप
- हॉट झोन तापमान: ८५०-९००°C वर सेट करा.
- शीत क्षेत्र तापमान: ७५०-८००°C वर सेट करा.
- ग्रेडियंट झोनची लांबी: अंदाजे १००-१५० मिमी.
३.२.४ वाढ प्रक्रिया
- पहिला टप्पा: ३°C/मिनिट या वेगाने ५००°C पर्यंत गरम करा, आयोडीन आणि कच्च्या मालामध्ये सुरुवातीची प्रतिक्रिया होण्यासाठी २ तास धरा.
- दुसरा टप्पा: सेट तापमानापर्यंत गरम करणे सुरू ठेवा, तापमान ग्रेडियंट राखा आणि ७-१४ दिवस वाढवा.
- थंड करणे: वाढ पूर्ण झाल्यानंतर, खोलीच्या तापमानाला १°C/मिनिट या तापमानावर थंड करा.
३.२.५ उत्पादन संग्रह
- ट्यूब उघडणे: क्वार्ट्ज ट्यूब एका ग्लोव्ह बॉक्समध्ये उघडा.
- संग्रह: थंड टोकावर ZnTe सिंगल क्रिस्टल्स गोळा करा.
- स्वच्छता: पृष्ठभागावरून शोषलेले आयोडीन काढून टाकण्यासाठी निर्जल इथेनॉलने अल्ट्रासोनिक पद्धतीने ५ मिनिटे स्वच्छ करा.
३.३ प्रक्रिया नियंत्रण बिंदू
- आयोडीनचे प्रमाण नियंत्रण: आयोडीनचे प्रमाण वाहतुकीच्या दरावर परिणाम करते; इष्टतम श्रेणी 5-8mg/cm³ आहे.
- तापमान ग्रेडियंट: ५०-१००°C च्या आत ग्रेडियंट ठेवा.
- वाढीचा कालावधी: सामान्यतः ७-१४ दिवस, इच्छित क्रिस्टल आकारावर अवलंबून.
३.४ फायदे आणि तोटे विश्लेषण
फायदे:
- उच्च दर्जाचे सिंगल क्रिस्टल्स मिळू शकतात
- मोठे क्रिस्टल आकार
- उच्च शुद्धता
तोटे:
- दीर्घ वाढीचे चक्र
- उच्च उपकरण आवश्यकता
- कमी उत्पन्न
४. ZnTe नॅनोमटेरियल संश्लेषणासाठी उपाय-आधारित पद्धत
४.१ तत्व
ZnTe नॅनोपार्टिकल्स किंवा नॅनोवायर तयार करण्यासाठी द्रावणात पूर्वसूचक प्रतिक्रिया नियंत्रित करण्यासाठी द्रावण-आधारित पद्धती वापरल्या जातात. एक सामान्य प्रतिक्रिया अशी आहे:
Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O
४.२ तपशीलवार प्रक्रिया
४.२.१ अभिकर्मक तयारी
- झिंक स्रोत: झिंक अ‍ॅसीटेट (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), शुद्धता ≥99.99%.
- टेल्युरियम स्रोत: टेल्युरियम डायऑक्साइड (TeO₂), शुद्धता ≥99.99%.
- कमी करणारे एजंट: सोडियम बोरोहायड्राइड (NaBH₄), शुद्धता ≥98%.
- सॉल्व्हेंट्स: डीआयोनाइज्ड वॉटर, इथिलीनेडायमाइन, इथेनॉल.
- पृष्ठभाग: सेटिलट्रायमेथिलअमोनियम ब्रोमाइड (CTAB).
४.२.२ टेल्युरियम प्रिकर्सर तयारी
- द्रावण तयार करणे: ०.१ मिमीओल TeO₂ २० मिली विआयनीकृत पाण्यात विरघळवा.
- रिडक्शन रिअॅक्शन: ०.५ मिमीोल NaBH₄ घाला, HTe⁻ द्रावण तयार करण्यासाठी ३० मिनिटे चुंबकीय पद्धतीने ढवळून घ्या.
TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑ - संरक्षणात्मक वातावरण: ऑक्सिडेशन रोखण्यासाठी संपूर्ण ठिकाणी नायट्रोजनचा प्रवाह राखा.
४.२.३ ZnTe नॅनोपार्टिकल संश्लेषण
- झिंक द्रावण तयार करणे: ०.१ मिमीओल झिंक अ‍ॅसीटेट ३० मिली इथिलेनेडायमिनमध्ये विरघळवा.
- मिश्रण अभिक्रिया: जस्त द्रावणात हळूहळू HTe⁻ द्रावण घाला, 80°C वर 6 तासांसाठी अभिक्रिया करा.
- सेंट्रीफ्यूगेशन: प्रतिक्रियेनंतर, उत्पादन गोळा करण्यासाठी १०,००० आरपीएमवर १० मिनिटांसाठी सेंट्रीफ्यूज करा.
- धुणे: इथेनॉल आणि डीआयोनाइज्ड पाण्याने तीन वेळा आलटून पालटून धुणे.
- वाळवणे: ६०°C वर ६ तास व्हॅक्यूम क्लीनरने वाळवा.
४.२.४ ZnTe नॅनोवायर संश्लेषण
- साचा जोड: झिंक द्रावणात ०.२ ग्रॅम सीटीएबी घाला.
- हायड्रोथर्मल अभिक्रिया: मिश्रित द्रावण ५० मिली टेफ्लॉन-लाइन असलेल्या ऑटोक्लेव्हमध्ये हलवा, १८०°C वर १२ तासांसाठी अभिक्रिया करा.
- प्रक्रिया केल्यानंतर: नॅनोपार्टिकल्स प्रमाणेच.
४.३ प्रक्रिया पॅरामीटर ऑप्टिमायझेशन
- तापमान नियंत्रण: नॅनोपार्टिकल्ससाठी ८०-९०°C, नॅनोवायरसाठी १८०-२००°C.
- पीएच मूल्य: ९-११ दरम्यान ठेवा.
- प्रतिक्रिया वेळ: नॅनोपार्टिकल्ससाठी ४-६ तास, नॅनोवायरसाठी १२-२४ तास.
४.४ फायदे आणि तोटे विश्लेषण
फायदे:
- कमी-तापमान प्रतिक्रिया, ऊर्जा-बचत
- नियंत्रित आकारविज्ञान आणि आकार
- मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी योग्य
तोटे:
- उत्पादनांमध्ये अशुद्धता असू शकते
- पोस्ट-प्रोसेसिंग आवश्यक आहे
- कमी क्रिस्टल गुणवत्ता
५. ZnTe पातळ फिल्म तयारीसाठी आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE)
५.१ तत्व
MBE अति-उच्च व्हॅक्यूम परिस्थितीत Zn आणि Te च्या आण्विक किरणांना सब्सट्रेटवर निर्देशित करून ZnTe सिंगल-क्रिस्टल पातळ फिल्म्स वाढवते, ज्यामुळे बीम फ्लक्स रेशो आणि सब्सट्रेट तापमान अचूकपणे नियंत्रित होते.
५.२ तपशीलवार प्रक्रिया
५.२.१ प्रणाली तयारी
- व्हॅक्यूम सिस्टम: बेस व्हॅक्यूम ≤1×10⁻⁸Pa.
- स्रोत तयारी:
- झिंक स्रोत: बीएन क्रूसिबलमध्ये 6N उच्च-शुद्धता असलेला झिंक.
- टेल्युरियम स्रोत: पीबीएन क्रूसिबलमध्ये 6N उच्च-शुद्धता असलेले टेल्युरियम.
- सब्सट्रेट तयार करणे:
- सामान्यतः वापरले जाणारे GaAs(100) सब्सट्रेट.
- सब्सट्रेट क्लीनिंग: ऑरगॅनिक सॉल्व्हेंट क्लीनिंग → अ‍ॅसिड एचिंग → डीआयोनाइज्ड वॉटर रिन्सिंग → नायट्रोजन ड्रायिंग.
५.२.२ वाढ प्रक्रिया
- सब्सट्रेट आउटगॅसिंग: पृष्ठभागावरील शोषक पदार्थ काढून टाकण्यासाठी २००°C वर १ तास बेक करा.
- ऑक्साइड काढणे: ५८०°C पर्यंत गरम करा, पृष्ठभागावरील ऑक्साइड काढून टाकण्यासाठी १० मिनिटे धरून ठेवा.
- बफर लेयर वाढ: ३००°C पर्यंत थंड करा, १०nm ZnTe बफर लेयर वाढवा.
- मुख्य वाढ:
- सब्सट्रेट तापमान: २८०-३२०°C.
- झिंक बीम समतुल्य दाब: १×१०⁻⁶टॉर.
- टेल्युरियम बीम समतुल्य दाब: 2×10⁻⁶Torr.
- V/III गुणोत्तर १.५-२.० वर नियंत्रित.
- वाढीचा दर: ०.५-१μm/ता.
- एनीलिंग: वाढ झाल्यानंतर, २५०°C वर ३० मिनिटे एनील करा.
५.२.३ इन-सीटू मॉनिटरिंग
- RHEED देखरेख: पृष्ठभागाच्या पुनर्बांधणी आणि वाढीच्या पद्धतीचे रिअल-टाइम निरीक्षण.
- मास स्पेक्ट्रोमेट्री: आण्विक बीम तीव्रतेचे निरीक्षण करा.
- इन्फ्रारेड थर्मोमेट्री: अचूक सब्सट्रेट तापमान नियंत्रण.
५.३ प्रक्रिया नियंत्रण बिंदू
- तापमान नियंत्रण: सब्सट्रेट तापमान क्रिस्टलच्या गुणवत्तेवर आणि पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानावर परिणाम करते.
- बीम फ्लक्स रेशो: Te/Zn रेशो दोष प्रकार आणि सांद्रतेवर परिणाम करतो.
- वाढीचा दर: कमी दरांमुळे क्रिस्टलची गुणवत्ता सुधारते.
५.४ फायदे आणि तोटे विश्लेषण
फायदे:
- अचूक रचना आणि डोपिंग नियंत्रण.
- उच्च दर्जाचे सिंगल-क्रिस्टल फिल्म्स.
- अणुदृष्ट्या सपाट पृष्ठभाग साध्य करणे शक्य.
तोटे:
- महागडी उपकरणे.
- मंद वाढीचा दर.
- प्रगत ऑपरेशनल कौशल्ये आवश्यक आहेत.
६. इतर संश्लेषण पद्धती
६.१ रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD)
- पूर्वसूचक: डायथिलझिंक (DEZn) आणि डायसोप्रोपायलटेलुराइड (DIPTe).
- प्रतिक्रिया तापमान: ४००-५००°C.
- वाहक वायू: उच्च-शुद्धता नायट्रोजन किंवा हायड्रोजन.
- दाब: वातावरणीय किंवा कमी दाब (१०-१००Torr).
६.२ औष्णिक बाष्पीभवन
- स्रोत साहित्य: उच्च-शुद्धता ZnTe पावडर.
- व्हॅक्यूम पातळी: ≤1×10⁻⁴Pa.
- बाष्पीभवन तापमान: १०००-११००°C.
- सब्सट्रेट तापमान: २००-३००°C.
७. निष्कर्ष
झिंक टेल्युराइडचे संश्लेषण करण्यासाठी विविध पद्धती अस्तित्वात आहेत, प्रत्येकाचे स्वतःचे फायदे आणि तोटे आहेत. घन-अवस्था अभिक्रिया मोठ्या प्रमाणात सामग्री तयार करण्यासाठी योग्य आहे, बाष्प वाहतूक उच्च-गुणवत्तेचे एकल क्रिस्टल्स देते, द्रावण पद्धती नॅनोमटेरियलसाठी आदर्श आहेत आणि MBE उच्च-गुणवत्तेच्या पातळ फिल्मसाठी वापरली जाते. व्यावहारिक अनुप्रयोगांनी उच्च-कार्यक्षमता ZnTe सामग्री मिळविण्यासाठी प्रक्रिया पॅरामीटर्सचे कठोर नियंत्रण असलेल्या आवश्यकतांवर आधारित योग्य पद्धत निवडली पाहिजे. भविष्यातील दिशानिर्देशांमध्ये कमी-तापमान संश्लेषण, आकारविज्ञान नियंत्रण आणि डोपिंग प्रक्रिया ऑप्टिमायझेशन समाविष्ट आहे.
पोस्ट वेळ: मे-२९-२०२५