טלוריד אבץ (ZnTe), חומר מוליך למחצה חשוב מסוג II-VI, נמצא בשימוש נרחב בגילוי אינפרא אדום, תאים סולאריים והתקנים אופטואלקטרוניים. התקדמות אחרונה בננוטכנולוגיה ובכימיה ירוקה ייעלה את ייצורו. להלן תהליכי הייצור הנוכחיים של ZnTe ופרמטרים מרכזיים, כולל שיטות מסורתיות ושיפורים מודרניים:
________________________________________
א. תהליך ייצור מסורתי (סינתזה ישירה)
1. הכנת חומרי גלם
• אבץ (Zn) וטלוריום (Te) בעלי טוהר גבוה: טוהר ≥99.999% (דרגה 5N), מעורבבים ביחס מולרי של 1:1.
• גז מגן: ארגון (Ar) או חנקן (N₂) בעלי טוהר גבוה למניעת חמצון.
2. זרימת התהליך
• שלב 1: סינתזת התכה בוואקום
ערבבו אבקות Zn ו-Te בצינור קוורץ ורוקנו לטמפרטורה של ≤10⁻³ Pa.
o תוכנית חימום: חימום ב-5-10°C/דקה ל-500-700°C, החזקה למשך 4-6 שעות.
משוואת תגובה: Zn+Te→ΔZnTeZn+TeΔZnTe
• שלב 2: חישול
o חישול התוצר הגולמי בטמפרטורה של 400-500 מעלות צלזיוס למשך 2-3 שעות כדי להפחית פגמי סריג.
• שלב 3: ריסוק וניפוי
o השתמשו בטחנת כדורים לטחינת החומר העצום לגודל החלקיקים המטרה (טחינה כדורית באנרגיה גבוהה בקנה מידה ננומטרי).
3. פרמטרים מרכזיים
• דיוק בקרת טמפרטורה: ±5°C
• קצב קירור: 2–5°C/דקה (כדי למנוע סדקים כתוצאה ממאמץ תרמי)
• גודל חלקיקי חומר גלם: אבץ (100–200 רשת), טהור (200–300 רשת)
________________________________________
II. תהליך משופר מודרני (שיטה סולבוטרמית)
השיטה הסולבותרמית היא הטכניקה המרכזית לייצור ZnTe בקנה מידה ננומטרי, המציעה יתרונות כגון גודל חלקיקים נשלט וצריכת אנרגיה נמוכה.
1. חומרי גלם וממיסים
• קודמנים: חנקת אבץ (Zn(NO₃)₂) ונתרן טלוריט (Na₂TeO₃) או אבקת טלור (Te).
• חומרים מחזרים: הידרזין הידראט (N₂H₄·H₂O) או נתרן בורוהידריד (NaBH₄).
• ממסים: אתילן-דיאמין (EDA) או מים מזוקקים (מים מזוקקים).
2. זרימת התהליך
• שלב 1: פירוק קודמן
יש להמיס Zn(NO₃)₂ ו-Na₂TeO₃ ביחס מולרי של 1:1 בממס תחת ערבוב.
• שלב 2: תגובת חיזור
הוסיפו את חומר החיזור (למשל, N₂H₄·H₂O) ואטמו באוטוקלב בלחץ גבוה.
תנאי תגובה:
טמפרטורה: 180–220 מעלות צלזיוס
זמן: 12–24 שעות
לחץ: נוצר באופן עצמאי (3–5 מגה פסקל)
משוואת תגובה: Zn2++TeO32−+חומר מחזר→ZnTe+תוצרי לוואי (למשל, H₂O, N₂) Zn2++TeO32−+חומר מחזר→ZnTe+תוצרי לוואי (למשל, H₂O, N₂)
• שלב 3: לאחר הטיפול
o צנטריפוגה לבידוד המוצר, שטיפה 3-5 פעמים עם אתנול ומים די-מותססים.
ייבוש תחת ואקום (60-80 מעלות צלזיוס למשך 4-6 שעות).
3. פרמטרים מרכזיים
• ריכוז חומר קדם: 0.1–0.5 מול/ליטר
• בקרת pH: 9–11 (תנאים בסיסיים מעדיפים תגובה)
• בקרת גודל חלקיקים: כוונון באמצעות סוג הממס (למשל, EDA מניב ננו-חוטים; פאזה מימית מניבה ננו-חלקיקים).
________________________________________
ג. תהליכים מתקדמים אחרים
1. שקיעת אדים כימית (CVD)
• יישום: הכנת שכבה דקה (למשל, תאים סולאריים).
• קודמנים: דיאתיל אבץ (Zn(C₂H₅)₂) ודיאתילטלוריום (Te(C₂H₅)₂).
• פרמטרים:
טמפרטורת שקיעה: 350–450 מעלות צלזיוס
גז נשא: תערובת H₂/Ar (קצב זרימה: 50–100 sccm)
לחץ: 10⁻²–10⁻³ טור
2. סגסוגת מכנית (טחינה בכדורים)
• מאפיינים: סינתזה ללא ממס, בטמפרטורה נמוכה.
• פרמטרים:
יחס כדור לאבקה: 10:1
זמן טחינה: 20–40 שעות
מהירות סיבוב: 300–500 סל"ד
________________________________________
IV. בקרת איכות ואפיון
1. ניתוח טוהר: דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) לבדיקת מבנה גבישי (שיא עיקרי ב-2θ ≈25.3°).
2. בקרת מורפולוגיה: מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) לגודל ננו-חלקיקים (אופייני: 10-50 ננומטר).
3. יחס אלמנטים: ספקטרוסקופיית קרני רנטגן פיזור אנרגיה (EDS) או ספקטרומטריית מסות פלזמה מצומדת אינדוקטיבית (ICP-MS) לאישור Zn ≈1:1.
________________________________________
ה. שיקולי בטיחות וסביבה
1. טיפול בגזי פליטה: ספיגת H₂Te באמצעות תמיסות אלקליות (למשל, NaOH).
2. שחזור ממסים: מיחזור ממסים אורגניים (למשל, EDA) באמצעות זיקוק.
3. אמצעי הגנה: יש להשתמש במסכות גז (להגנה מפני H₂Te) וכפפות עמידות בפני קורוזיה.
________________________________________
ו. מגמות טכנולוגיות
• סינתזה ירוקה: פיתוח מערכות פאזה מימית להפחתת השימוש בממסים אורגניים.
• שינוי סימום: שיפור המוליכות על ידי סימום עם נחושת, כסף וכו'.
• ייצור בקנה מידה גדול: אימוץ כורים בעלי זרימה רציפה כדי להשיג אצוות בקנה מידה של ק"ג.
זמן פרסום: 21 במרץ 2025