Telurid zinočnatý (ZnTe), dôležitý polovodičový materiál II-VI, sa široko používa v infračervenej detekcii, solárnych článkoch a optoelektronických zariadeniach. Nedávny pokrok v nanotechnológii a zelenej chémii optimalizoval jeho výrobu. Nižšie sú uvedené súčasné hlavné výrobné procesy ZnTe a kľúčové parametre vrátane tradičných metód a moderných vylepšení:
_____________________________________
I. Tradičný výrobný proces (priama syntéza)
1. Príprava surovín
• Vysoko čistý zinok (Zn) a telúr (Te): Čistota ≥99,999 % (trieda 5N), zmiešané v molárnom pomere 1:1.
• Ochranný plyn: Vysoko čistý argón (Ar) alebo dusík (N₂) na zabránenie oxidácii.
2. Priebeh procesu
• Krok 1: Syntéza tavením vo vákuu
o Zmiešajte prášky Zn a Te v kremennej trubici a evakuujte na ≤10⁻³ Pa.
o Program ohrevu: Zahrievajte rýchlosťou 5–10 °C/min na 500–700 °C, udržujte 4–6 hodín.
o Reakčná rovnica: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• Krok 2: Žíhanie
o Žíhajte surový produkt pri teplote 400 – 500 °C počas 2 – 3 hodín, aby sa znížili mriežkové defekty.
• Krok 3: Drvenie a preosievanie
o Na rozomletie sypkého materiálu na cieľovú veľkosť častíc použite guľový mlyn (vysokoenergetické guľové mletie pre nanorozmery).
3. Kľúčové parametre
• Presnosť regulácie teploty: ±5 °C
• Rýchlosť chladenia: 2–5 °C/min (aby sa predišlo trhlinám spôsobeným tepelným napätím)
• Veľkosť častíc suroviny: Zn (100 – 200 mesh), Te (200 – 300 mesh)
_____________________________________
II. Moderný vylepšený proces (solvotermálna metóda)
Solvotermálna metóda je hlavnou technikou na výrobu nanoškálového ZnTe, ktorá ponúka výhody, ako je kontrolovateľná veľkosť častíc a nízka spotreba energie.
1. Suroviny a rozpúšťadlá
• Prekurzory: dusičnan zinočnatý (Zn(NO₃)₂) a telurit sodný (Na₂TeO₃) alebo telúrový prášok (Te).
• Redukčné činidlá: hydrazínhydrát (N₂H₄·H₂O) alebo tetrahydridoboritan sodný (NaBH₄).
• Rozpúšťadlá: etyléndiamín (EDA) alebo deionizovaná voda (DI voda).
2. Priebeh procesu
• Krok 1: Rozpustenie prekurzora
o Rozpustite Zn(NO₃)₂ a Na₂TeO₃ v molárnom pomere 1:1 v rozpúšťadle za miešania.
• Krok 2: Redukčná reakcia
o Pridajte redukčné činidlo (napr. N₂H₄·H₂O) a utesnite vo vysokotlakovom autokláve.
Reakčné podmienky:
Teplota: 180–220 °C
Čas: 12–24 hodín
Tlak: Samovytváraný (3–5 MPa)
o Reakčná rovnica: Zn2++TeO32− + Redukčné činidlo → ZnTe + Vedľajšie produkty (napr. H₂O, N₂) Zn2++TeO32− + Redukčné činidlo → ZnTe + Vedľajšie produkty (napr. H₂O, N₂)
• Krok 3: Následná úprava
o Produkt izolujte v centrifúge, premyte 3–5-krát etanolom a deionizovanou vodou.
o Sušte vo vákuu (60 – 80 °C počas 4 – 6 hodín).
3. Kľúčové parametre
• Koncentrácia prekurzora: 0,1 – 0,5 mol/l
• Regulácia pH: 9–11 (alkalické podmienky podporujú reakciu)
• Riadenie veľkosti častíc: Úprava pomocou typu rozpúšťadla (napr. EDA poskytuje nanodrôty; vodná fáza poskytuje nanočastice).
_____________________________________
III. Ďalšie pokročilé procesy
1. Chemické nanášanie z pár (CVD)
• Použitie: Príprava tenkých vrstiev (napr. solárne články).
• Prekurzory: Dietylzinok (Zn(C₂H₅)₂) a dietyltelúr (Te(C₂H₅)₂).
• Parametre:
o Teplota nanášania: 350–450 °C
o Nosný plyn: zmes H₂/Ar (prietok: 50 – 100 sccm)
Tlak: 10⁻²–10⁻³ Torr
2. Mechanické legovanie (guľové frézovanie)
• Vlastnosti: Bezrozpúšťadlová syntéza pri nízkej teplote.
• Parametre:
Pomer guľôčok a prášku: 10:1
o Čas frézovania: 20–40 hodín
o Rýchlosť otáčania: 300 – 500 ot./min.
_____________________________________
IV. Kontrola kvality a charakterizácia
1. Analýza čistoty: Röntgenová difrakcia (XRD) pre kryštálovú štruktúru (hlavný pík pri 2θ ≈25,3°).
2. Kontrola morfológie: Transmisná elektrónová mikroskopia (TEM) pre veľkosť nanočastíc (typická: 10–50 nm).
3. Elementárny pomer: Energeticky disperzná röntgenová spektroskopia (EDS) alebo hmotnostná spektrometria s indukčne viazanou plazmou (ICP-MS) na potvrdenie Zn ≈1:1.
_____________________________________
V. Bezpečnostné a environmentálne aspekty
1. Čistenie odpadových plynov: Absorbujte H₂Te alkalickými roztokmi (napr. NaOH).
2. Regenerácia rozpúšťadla: Recyklácia organických rozpúšťadiel (napr. EDA) destiláciou.
3. Ochranné opatrenia: Používajte plynové masky (na ochranu pred H₂Te) a rukavice odolné voči korózii.
_____________________________________
VI. Technologické trendy
• Zelená syntéza: Vývoj systémov vo vodnej fáze na zníženie spotreby organických rozpúšťadiel.
• Modifikácia dopovaním: Zlepšenie vodivosti dopovaním pomocou Cu, Ag atď.
• Veľkoobjemová výroba: Na dosiahnutie kg-šarží použite kontinuálne prietokové reaktory.
Čas uverejnenia: 21. marca 2025