1. შესავალი

თუთიის ტელურიდი (ZnTe) მნიშვნელოვანი II-VI ჯგუფის ნახევარგამტარული მასალაა პირდაპირი ზონური უფსკრულის სტრუქტურით. ოთახის ტემპერატურაზე მისი ზონური უფსკრული დაახლოებით 2.26 eV-ია და ფართო გამოყენებას პოულობს ოპტოელექტრონულ მოწყობილობებში, მზის უჯრედებში, რადიაციის დეტექტორებსა და სხვა სფეროებში. ეს სტატია დეტალურ შესავალს წარმოადგენს თუთიის ტელურიდის სხვადასხვა სინთეზის პროცესებში, მათ შორის მყარ მდგომარეობაში რეაქციაში, ორთქლის ტრანსპორტირებაში, ხსნარზე დაფუძნებულ მეთოდებში, მოლეკულურ სხივურ ეპიტაქსიაში და ა.შ. თითოეული მეთოდი დეტალურად იქნება ახსნილი მისი პრინციპების, პროცედურების, უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების, ასევე ძირითადი მოსაზრებების თვალსაზრისით.

2. ZnTe სინთეზის მყარი მდგომარეობის რეაქციის მეთოდი

2.1 პრინციპი

მყარი მდგომარეობის რეაქციის მეთოდი თუთიის ტელურიდის მომზადების ყველაზე ტრადიციული მიდგომაა, სადაც მაღალი სისუფთავის თუთია და ტელურიუმი პირდაპირ რეაგირებენ მაღალ ტემპერატურაზე ZnTe-ს წარმოქმნით:

Zn + Te → ZnTe

2.2 დეტალური პროცედურა

2.2.1 ნედლეულის მომზადება

1. მასალის შერჩევა: საწყის მასალებად გამოიყენეთ მაღალი სისუფთავის თუთიის გრანულები და ტელურიუმის ნატეხები, რომელთა სისუფთავე ≥99.999%-ია.
2. მასალის წინასწარი დამუშავება:
   • თუთიით დამუშავება: ზედაპირული ოქსიდების მოსაშორებლად თავდაპირველად 1 წუთის განმავლობაში ჩაუშვით განზავებულ მარილმჟავაში (5%), შემდეგ ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით, ჩამოიბანეთ უწყლო ეთანოლით და ბოლოს გააშრეთ ვაკუუმურ ღუმელში 60°C ტემპერატურაზე 2 საათის განმავლობაში.
   • ტელურიუმით დამუშავება: ზედაპირული ოქსიდების მოსაშორებლად თავდაპირველად 30 წამის განმავლობაში ჩაყავით სამეფო წყალში (HNO₃:HCl=1:3), ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით ნეიტრალურ მდგომარეობამდე, ჩამოიბანეთ უწყლო ეთანოლით და ბოლოს გააშრეთ ვაკუუმურ ღუმელში 80°C ტემპერატურაზე 3 საათის განმავლობაში.
3. აწონვა: ნედლეული აწონეთ სტექიომეტრიული თანაფარდობით (Zn:Te=1:1). მაღალ ტემპერატურაზე თუთიის აორთქლების შესაძლო ალბათობის გათვალისწინებით, შესაძლებელია მისი 2-3%-იანი სიჭარბის დამატება.

2.2.2 მასალების შერევა

1. დაფქვა და შერევა: აწონილი თუთია და ტელურიუმი მოათავსეთ აქატის ნაღმტყორცნში და დაფქვით 30 წუთის განმავლობაში არგონით სავსე ხელთათმანების ყუთში, ერთგვაროვანი მასის მიღებამდე.
2. გრანულებად დაყოფა: შერეული ფხვნილი მოათავსეთ ფორმაში და დააწნეხეთ 10-20 მმ დიამეტრის გრანულებად 10-15 მპა წნევის ქვეშ.

2.2.3 რეაქციის ჭურჭლის მომზადება

1. კვარცის მილების დამუშავება: შეარჩიეთ მაღალი სისუფთავის კვარცის მილები (შიდა დიამეტრი 20-30 მმ, კედლის სისქე 2-3 მმ), თავდაპირველად დაალბეთ სამეფო წყალში 24 საათის განმავლობაში, კარგად ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით და გააშრეთ ღუმელში 120°C ტემპერატურაზე.
2. ევაკუაცია: ნედლეულის გრანულები მოათავსეთ კვარცის მილში, შეაერთეთ ვაკუუმურ სისტემასთან და ევაკუაცია მოახდინეთ ≤10⁻³Pa ტემპერატურამდე.
3. დალუქვა: კვარცის მილი დალუქეთ წყალბად-ჟანგბადის ალის გამოყენებით, ჰერმეტულობისთვის უზრუნველყავით დალუქვის სიგრძე ≥50 მმ.

2.2.4 მაღალტემპერატურული რეაქცია

1. პირველი გაცხელების ეტაპი: დალუქული კვარცის მილი მოათავსეთ მილისებრ ღუმელში და გააცხელეთ 400°C-მდე 2-3°C/წთ სიჩქარით, გააჩერეთ 12 საათის განმავლობაში, რათა თუთიასა და ტელურიუმს შორის საწყისი რეაქცია დაიწყოს.
2. მეორე გაცხელების ეტაპი: გააგრძელეთ გაცხელება 950-1050°C-მდე (კვარცის დარბილების წერტილზე 1100°C-ზე დაბლა) 1-2°C/წთ სიჩქარით, გააჩერეთ 24-48 საათის განმავლობაში.
3. მილის რხევა: მაღალი ტემპერატურის ეტაპზე, ყოველ 2 საათში ერთხელ დახარეთ ღუმელი 45°-ით და რამდენჯერმე რხევით, რათა უზრუნველყოთ რეაგენტების კარგად შერევა.
4. გაგრილება: რეაქციის დასრულების შემდეგ, თერმული სტრესის შედეგად ნიმუშის ბზარების წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად, ნელა გააგრილეთ ოთახის ტემპერატურამდე 0.5-1°C/წთ სიჩქარით.

2.2.5 პროდუქტის დამუშავება

1. პროდუქტის მოცილება: გახსენით კვარცის მილი ხელთათმანების ყუთში და ამოიღეთ რეაქციის პროდუქტი.
2. დაფქვა: პროდუქტი ხელახლა დაფქვით ფხვნილად, რათა მოაშოროთ რეაქციაში შესული მასალები.
3. გამოწვა: ფხვნილის გამოწვა 600°C ტემპერატურაზე არგონის ატმოსფეროში 8 საათის განმავლობაში, შიდა დაძაბულობის შესამსუბუქებლად და კრისტალურობის გასაუმჯობესებლად.
4. დახასიათება: ფაზის სისუფთავისა და ქიმიური შემადგენლობის დასადასტურებლად ჩაატარეთ რენტგენის დიფრაქტოგრაფიული გამოკვლევა, სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი, ელექტროდინამიკური დისპენსერი და ა.შ.

2.3 პროცესის პარამეტრების ოპტიმიზაცია

1. ტემპერატურის კონტროლი: რეაქციის ოპტიმალური ტემპერატურაა 1000±20°C. დაბალმა ტემპერატურამ შეიძლება გამოიწვიოს არასრული რეაქცია, ხოლო მაღალმა ტემპერატურამ შეიძლება გამოიწვიოს თუთიის აორთქლება.
2. დროის კონტროლი: სრული რეაქციის უზრუნველსაყოფად შეკავების დრო უნდა იყოს ≥24 საათი.
3. გაგრილების სიჩქარე: ნელი გაგრილება (0.5-1°C/წთ) უფრო დიდი კრისტალური მარცვლების წარმოქმნას იწვევს.

2.4 უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების ანალიზი

უპირატესობები:

• მარტივი პროცესი, დაბალი აღჭურვილობის მოთხოვნები
• შესაფერისია პარტიული წარმოებისთვის
• მაღალი პროდუქტის სისუფთავე

ნაკლოვანებები:

• მაღალი რეაქციის ტემპერატურა, მაღალი ენერგიის მოხმარება
• მარცვლის ზომის არათანაბარი განაწილება
• შეიძლება შეიცავდეს მცირე რაოდენობით რეაქციაში არმყოფ ნივთიერებებს

3. ორთქლის ტრანსპორტირების მეთოდი ZnTe სინთეზისთვის

3.1 პრინციპი

ორთქლის ტრანსპორტირების მეთოდი იყენებს გადამტან გაზს რეაქტანტის ორთქლის დაბალი ტემპერატურის ზონაში დეპონირებისთვის, რაც ტემპერატურის გრადიენტების კონტროლით ZnTe-ის მიმართულებითი ზრდის მიღწევას უწყობს ხელს. იოდი ხშირად გამოიყენება ტრანსპორტირების აგენტად:

ZnTe(s) + I2(g) ⇌ ZnI2(g) + 1/2Te2(g)

3.2 დეტალური პროცედურა

3.2.1 ნედლეულის მომზადება

1. მასალის შერჩევა: გამოიყენეთ მაღალი სისუფთავის ZnTe ფხვნილი (სისუფთავე ≥99.999%) ან სტექიომეტრიულად შერეული Zn და Te ფხვნილები.
2. სატრანსპორტო აგენტის მომზადება: მაღალი სისუფთავის იოდის კრისტალები (სისუფთავე ≥99.99%), დოზირება 5-10 მგ/სმ³ რეაქციის მილის მოცულობა.
3. კვარცის მილების დამუშავება: იგივეა, რაც მყარი მდგომარეობის რეაქციის მეთოდი, მაგრამ საჭიროა უფრო გრძელი კვარცის მილები (300-400 მმ).

3.2.2 მილის ჩატვირთვა

1. მასალის განთავსება: მოათავსეთ ZnTe ფხვნილი ან Zn+Te ნარევი კვარცის მილის ერთ ბოლოში.
2. იოდის დამატება: იოდის კრისტალები დაამატეთ კვარცის მილში ხელთათმანების ყუთში.
3. ევაკუაცია: ევაკუაცია ≤10⁻³Pa-მდე.
4. დალუქვა: დალუქეთ წყალბად-ჟანგბადის ალით, მილი ჰორიზონტალურად შეინარჩუნეთ.

3.2.3 ტემპერატურის გრადიენტის დაყენება

1. ცხელი ზონის ტემპერატურა: დაყენებულია 850-900°C-ზე.
2. ცივი ზონის ტემპერატურა: დაყენებულია 750-800°C-ზე.
3. გრადიენტის ზონის სიგრძე: დაახლოებით 100-150 მმ.

3.2.4 ზრდის პროცესი

1. პირველი ეტაპი: გააცხელეთ 500°C-მდე 3°C/წთ სიჩქარით, გააჩერეთ 2 საათის განმავლობაში იოდსა და ნედლეულს შორის საწყისი რეაქციის დასაწყებად.
2. მეორე ეტაპი: გააგრძელეთ გათბობა დადგენილ ტემპერატურამდე, შეინარჩუნეთ ტემპერატურის გრადიენტი და გაზარდეთ 7-14 დღის განმავლობაში.
3. გაგრილება: ზრდის დასრულების შემდეგ, გააგრილეთ ოთახის ტემპერატურამდე 1°C/წთ სიჩქარით.

3.2.5 პროდუქციის კოლექცია

1. მილის გახსნა: გახსენით კვარცის მილი ხელთათმანების ყუთში.
2. შეგროვება: შეაგროვეთ ZnTe მონოკრისტალები ცივ ბოლოდან.
3. გაწმენდა: ზედაპირზე ადსორბირებული იოდის მოსაშორებლად, ულტრაბგერითი გაწმენდა უწყლო ეთანოლით 5 წუთის განმავლობაში.

3.3 პროცესის კონტროლის წერტილები

1. იოდის რაოდენობის კონტროლი: იოდის კონცენტრაცია გავლენას ახდენს ტრანსპორტირების სიჩქარეზე; ოპტიმალური დიაპაზონია 5-8 მგ/სმ³.
2. ტემპერატურის გრადიენტი: შეინარჩუნეთ გრადიენტი 50-100°C-ის ფარგლებში.
3. ზრდის დრო: როგორც წესი, 7-14 დღე, სასურველი კრისტალის ზომის მიხედვით.

3.4 უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების ანალიზი

უპირატესობები:

• მაღალი ხარისხის მონოკრისტალების მიღება შესაძლებელია
• უფრო დიდი კრისტალების ზომები
• მაღალი სისუფთავე

ნაკლოვანებები:

• ხანგრძლივი ზრდის ციკლები
• მაღალი აღჭურვილობის მოთხოვნები
• დაბალი მოსავლიანობა

4. ZnTe ნანომასალების სინთეზის ხსნარზე დაფუძნებული მეთოდი

4.1 პრინციპი

ხსნარზე დაფუძნებული მეთოდები აკონტროლებს პრეკურსორულ რეაქციებს ხსნარში ZnTe ნანონაწილაკების ან ნანომავთულების მოსამზადებლად. ტიპიური რეაქციაა:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 დეტალური პროცედურა

4.2.1 რეაგენტის მომზადება

1. თუთიის წყარო: თუთიის აცეტატი (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), სისუფთავე ≥99.99%.
2. ტელურიუმის წყარო: ტელურიუმის დიოქსიდი (TeO₂), სისუფთავე ≥99.99%.
3. აღმდგენი აგენტი: ნატრიუმის ბოროჰიდრიდი (NaBH₄), სისუფთავე ≥98%.
4. გამხსნელები: დეიონიზებული წყალი, ეთილენდიამინი, ეთანოლი.
5. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება: ცეტილტრიმეთილამონიუმის ბრომიდი (CTAB).

4.2.2 ტელურიუმის პრეკურსორის მომზადება

1. ხსნარის მომზადება: გახსენით 0.1 მმოლ TeO₂ 20 მლ დეიონიზებულ წყალში.
2. აღდგენის რეაქცია: დაამატეთ 0.5 მმოლ NaBH₄, მოურიეთ მაგნიტურად 30 წუთის განმავლობაში HTe⁻ ხსნარის მისაღებად.
   TeO2 + 3BH4- + 3H2O → HTe- + 3B(OH)₃ + 3H2↑
3. დამცავი ატმოსფერო: შეინარჩუნეთ აზოტის ნაკადი მთელ ზედაპირზე დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად.

4.2.3 ZnTe ნანონაწილაკების სინთეზი

1. თუთიის ხსნარის მომზადება: გახსენით 0.1 მმოლ თუთიის აცეტატი 30 მლ ეთილენდიამინში.
2. შერევის რეაქცია: ნელა დაუმატეთ HTe⁻-ის ხსნარი თუთიის ხსნარს, დააყენეთ რეაქციაში 80°C ტემპერატურაზე 6 საათის განმავლობაში.
3. ცენტრიფუგირება: რეაქციის შემდეგ, პროდუქტის შესაგროვებლად, ჩაატარეთ ცენტრიფუგირება 10,000 ბრ/წთ სიჩქარით 10 წუთის განმავლობაში.
4. რეცხვა: მონაცვლეობით სამჯერ გარეცხეთ ეთანოლით და დეიონიზებული წყლით.
5. გაშრობა: ვაკუუმში გაშრობა 60°C ტემპერატურაზე 6 საათის განმავლობაში.

4.2.4 ZnTe ნანომავთულების სინთეზი

1. შაბლონის დამატება: თუთიის ხსნარს დაუმატეთ 0.2 გ CTAB.
2. ჰიდროთერმული რეაქცია: შერეული ხსნარი გადაიტანეთ 50 მლ ტეფლონით დაფარულ ავტოკლავში, რეაქციაში შეიყვანეთ 180°C ტემპერატურაზე 12 საათის განმავლობაში.
3. შემდგომი დამუშავება: იგივეა, რაც ნანონაწილაკების შემთხვევაში.

4.3 პროცესის პარამეტრების ოპტიმიზაცია

1. ტემპერატურის კონტროლი: ნანონაწილაკებისთვის 80-90°C, ნანომავთულებისთვის 180-200°C.
2. pH მნიშვნელობა: შეინარჩუნეთ 9-11-ს შორის.
3. რეაქციის დრო: ნანონაწილაკებისთვის 4-6 საათი, ნანომავთულებისთვის 12-24 საათი.

4.4 უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების ანალიზი

უპირატესობები:

• დაბალი ტემპერატურის რეაქცია, ენერგიის დაზოგვა
• კონტროლირებადი მორფოლოგია და ზომა
• შესაფერისია მასშტაბური წარმოებისთვის

ნაკლოვანებები:

• პროდუქტებმა შეიძლება შეიცავდეს მინარევებს
• საჭიროებს შემდგომ დამუშავებას
• დაბალი კრისტალის ხარისხი

5. მოლეკულური სხივური ეპიტაქსია (MBE) ZnTe თხელი ფენის მომზადებისთვის

5.1 პრინციპი

MBE ზრდის ZnTe ერთკრისტალურ თხელ ფირებს Zn-ისა და Te-ს მოლეკულური სხივების სუბსტრატზე ულტრამაღალი ვაკუუმის პირობებში მიმართვით, სხივის ნაკადის თანაფარდობისა და სუბსტრატის ტემპერატურის ზუსტად კონტროლით.

5.2 დეტალური პროცედურა

5.2.1 სისტემის მომზადება

1. ვაკუუმური სისტემა: ბაზისური ვაკუუმი ≤1×10⁻⁸Pa.
2. წყაროს მომზადება:
   • თუთიის წყარო: 6N მაღალი სისუფთავის თუთია BN ტილოში.
   • ტელურიუმის წყარო: 6N მაღალი სისუფთავის ტელურიუმი PBN ტილოში.
3. სუბსტრატის მომზადება:
   • ხშირად გამოყენებული GaAs(100) სუბსტრატი.
   • სუბსტრატის გაწმენდა: ორგანული გამხსნელით გაწმენდა → მჟავა გრავირება → დეიონიზებული წყლით გამორეცხვა → აზოტით გაშრობა.

5.2.2 ზრდის პროცესი

1. სუბსტრატის გამოყოფა: გამოაცხვეთ 200°C-ზე 1 საათის განმავლობაში ზედაპირული ადსორბატების მოსაშორებლად.
2. ოქსიდის მოცილება: გააცხელეთ 580°C-მდე, გააჩერეთ 10 წუთი ზედაპირული ოქსიდების მოსაშორებლად.
3. ბუფერული ფენის ზრდა: გააგრილეთ 300°C-მდე, გაზარდეთ 10 ნმ ZnTe ბუფერული ფენა.
4. ძირითადი ზრდა:
   • სუბსტრატის ტემპერატურა: 280-320°C.
   • თუთიის სხივის ექვივალენტური წნევა: 1×10⁻⁶ტორი.
   • ტელურიუმის სხივის ეკვივალენტური წნევა: 2×10⁻⁶ტორი.
   • V/III თანაფარდობა კონტროლდება 1.5-2.0-ზე.
   • ზრდის ტემპი: 0.5-1μm/სთ.
5. გახურება: ზრდის შემდეგ, გახურეთ 250°C-ზე 30 წუთის განმავლობაში.

5.2.3 ადგილზე მონიტორინგი

1. RHEED მონიტორინგი: ზედაპირის რეკონსტრუქციისა და ზრდის რეჟიმის რეალურ დროში დაკვირვება.
2. მას-სპექტრომეტრია: მოლეკულური სხივის ინტენსივობის მონიტორინგი.
3. ინფრაწითელი თერმომეტრია: სუბსტრატის ტემპერატურის ზუსტი კონტროლი.

5.3 პროცესის კონტროლის წერტილები

1. ტემპერატურის კონტროლი: სუბსტრატის ტემპერატურა გავლენას ახდენს კრისტალების ხარისხსა და ზედაპირის მორფოლოგიაზე.
2. სხივის ნაკადის თანაფარდობა: Te/Zn თანაფარდობა გავლენას ახდენს დეფექტების ტიპებსა და კონცენტრაციებზე.
3. ზრდის ტემპი: დაბალი ტემპები აუმჯობესებს კრისტალების ხარისხს.

5.4 უპირატესობებისა და ნაკლოვანებების ანალიზი

უპირატესობები:

• ზუსტი შემადგენლობა და დოპინგის კონტროლი.
• მაღალი ხარისხის ერთკრისტალური ფირები.
• ატომურად ბრტყელი ზედაპირების მიღწევა შესაძლებელია.

ნაკლოვანებები:

• ძვირადღირებული აღჭურვილობა.
• ნელი ზრდის ტემპები.
• მოითხოვს მოწინავე ოპერაციულ უნარებს.

6. სხვა სინთეზის მეთოდები

6.1 ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD)

1. პრეკურსორები: დიეთილთუთია (DEZn) და დიიზოპროპილტელურიდი (DIPTe).
2. რეაქციის ტემპერატურა: 400-500°C.
3. გადამტანი აირი: მაღალი სისუფთავის აზოტი ან წყალბადი.
4. წნევა: ატმოსფერული ან დაბალი წნევა (10-100 ტორ).

6.2 თერმული აორთქლება

1. წყარო მასალა: მაღალი სისუფთავის ZnTe ფხვნილი.
2. ვაკუუმის დონე: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. აორთქლების ტემპერატურა: 1000-1100°C.
4. სუბსტრატის ტემპერატურა: 200-300°C.

7. დასკვნა

თუთიის ტელურიდის სინთეზირების სხვადასხვა მეთოდი არსებობს, რომელთაგან თითოეულს თავისი უპირატესობები და ნაკლოვანებები აქვს. მყარი მდგომარეობის რეაქცია შესაფერისია ნაყარი მასალის მოსამზადებლად, ორთქლის ტრანსპორტირება იძლევა მაღალი ხარისხის მონოკრისტალებს, ხსნარის მეთოდები იდეალურია ნანომასალებისთვის, ხოლო MBE გამოიყენება მაღალი ხარისხის თხელი ფირებისთვის. პრაქტიკული გამოყენებისას უნდა შეირჩეს შესაბამისი მეთოდი მოთხოვნების საფუძველზე, პროცესის პარამეტრების მკაცრი კონტროლით, მაღალი ხარისხის ZnTe მასალების მისაღებად. სამომავლო მიმართულებები მოიცავს დაბალტემპერატურულ სინთეზს, მორფოლოგიის კონტროლს და დოპირების პროცესის ოპტიმიზაციას.