1. Introducción

El telururo de zinc (ZnTe) es un importante material semiconductor de los grupos II-VI con una estructura de banda prohibida directa. A temperatura ambiente, su banda prohibida es de aproximadamente 2,26 eV y tiene amplias aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, células solares, detectores de radiación y otros campos. Este artículo ofrece una introducción detallada a diversos procesos de síntesis de telururo de zinc, incluyendo la reacción en estado sólido, el transporte de vapor, los métodos en solución, la epitaxia de haces moleculares, etc. Cada método se explicará detalladamente en cuanto a sus principios, procedimientos, ventajas y desventajas, y consideraciones clave.

2. Método de reacción en estado sólido para la síntesis de ZnTe

2.1 Principio

El método de reacción en estado sólido es el enfoque más tradicional para preparar telururo de zinc, donde el zinc y el telurio de alta pureza reaccionan directamente a altas temperaturas para formar ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Procedimiento detallado

2.2.1 Preparación de la materia prima

1. Selección de materiales: utilice gránulos de zinc de alta pureza y trozos de telurio con una pureza ≥99,999 % como materiales de partida.
2. Pretratamiento del material:
   • Tratamiento de zinc: Primero sumergir en ácido clorhídrico diluido (5%) durante 1 minuto para eliminar los óxidos superficiales, enjuagar con agua desionizada, lavar con etanol anhidro y finalmente secar en un horno de vacío a 60°C durante 2 horas.
   • Tratamiento de telurio: Primero sumergir en agua regia (HNO₃:HCl=1:3) durante 30 segundos para eliminar los óxidos de la superficie, enjuagar con agua desionizada hasta neutralidad, lavar con etanol anhidro y finalmente secar en horno de vacío a 80°C durante 3 horas.
3. Pesaje: Pesar las materias primas en proporción estequiométrica (Zn:Te = 1:1). Considerando la posible volatilización del zinc a altas temperaturas, se puede añadir un exceso del 2-3 %.

2.2.2 Mezcla de materiales

1. Molienda y mezcla: Coloque el zinc y el telurio pesados ​​en un mortero de ágata y muela durante 30 minutos en una caja de guantes llena de argón hasta que estén mezclados uniformemente.
2. Peletización: Coloque el polvo mezclado en un molde y presiónelo para formar pellets con diámetros de 10 a 20 mm bajo una presión de 10 a 15 MPa.

2.2.3 Preparación del recipiente de reacción

1. Tratamiento de tubos de cuarzo: Seleccione tubos de cuarzo de alta pureza (diámetro interior 20-30 mm, espesor de pared 2-3 mm), primero sumérjalos en agua regia durante 24 horas, enjuáguelos bien con agua desionizada y séquelos en un horno a 120 °C.
2. Evacuación: Coloque los pellets de materia prima en el tubo de cuarzo, conéctelo a un sistema de vacío y evacue a ≤10⁻³Pa.
3. Sellado: Sellar el tubo de cuarzo utilizando una llama de hidrógeno-oxígeno, asegurando una longitud de sellado ≥50 mm para hermeticidad.

2.2.4 Reacción de alta temperatura

1. Primera etapa de calentamiento: Colocar el tubo de cuarzo sellado en un horno de tubo y calentar a 400°C a una velocidad de 2-3°C/min, manteniendo esta temperatura durante 12 horas para permitir la reacción inicial entre el zinc y el telurio.
2. Segunda etapa de calentamiento: Continuar calentando a 950-1050 °C (por debajo del punto de ablandamiento del cuarzo de 1100 °C) a 1-2 °C/min, manteniendo esta temperatura durante 24-48 horas.
3. Balanceo de tubos: durante la etapa de alta temperatura, incline el horno a 45° cada 2 horas y balancee varias veces para asegurar una mezcla completa de los reactivos.
4. Enfriamiento: Una vez completada la reacción, enfriar lentamente a temperatura ambiente a 0,5-1 °C/min para evitar que la muestra se agriete debido al estrés térmico.

2.2.5 Procesamiento del producto

1. Extracción del producto: Abra el tubo de cuarzo en una caja de guantes y retire el producto de reacción.
2. Molienda: Vuelva a moler el producto hasta convertirlo en polvo para eliminar cualquier material que no haya reaccionado.
3. Recocido: Recocer el polvo a 600 °C bajo atmósfera de argón durante 8 horas para aliviar la tensión interna y mejorar la cristalinidad.
4. Caracterización: Realizar XRD, SEM, EDS, etc., para confirmar la pureza de la fase y la composición química.

2.3 Optimización de parámetros del proceso

1. Control de temperatura: La temperatura óptima de reacción es de 1000 ± 20 °C. Temperaturas más bajas pueden provocar una reacción incompleta, mientras que temperaturas más altas pueden provocar la volatilización del zinc.
2. Control de tiempo: El tiempo de retención debe ser ≥24 horas para garantizar una reacción completa.
3. Velocidad de enfriamiento: El enfriamiento lento (0,5-1 °C/min) produce granos de cristal más grandes.

2.4 Análisis de ventajas y desventajas

Ventajas:

• Proceso simple, bajos requisitos de equipo.
• Adecuado para producción en lotes.
• Alta pureza del producto

Desventajas:

• Alta temperatura de reacción, alto consumo de energía.
• Distribución no uniforme del tamaño de grano
• Puede contener pequeñas cantidades de materiales que no han reaccionado.

3. Método de transporte de vapor para la síntesis de ZnTe

3.1 Principio

El método de transporte de vapor utiliza un gas portador para transportar los vapores de los reactivos a una zona de baja temperatura para su deposición, logrando así el crecimiento direccional del ZnTe mediante el control de los gradientes de temperatura. El yodo se utiliza comúnmente como agente de transporte.

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Procedimiento detallado

3.2.1 Preparación de la materia prima

1. Selección del material: utilice polvo de ZnTe de alta pureza (pureza ≥99,999 %) o polvos de Zn y Te mezclados estequiométricamente.
2. Preparación del agente de transporte: Cristales de yodo de alta pureza (pureza ≥99,99 %), dosis de 5-10 mg/cm³ de volumen de tubo de reacción.
3. Tratamiento con tubos de cuarzo: Igual que el método de reacción en estado sólido, pero se requieren tubos de cuarzo más largos (300-400 mm).

3.2.2 Carga del tubo

1. Colocación del material: Coloque el polvo de ZnTe o la mezcla de Zn+Te en un extremo del tubo de cuarzo.
2. Adición de yodo: agregue cristales de yodo al tubo de cuarzo en una caja de guantes.
3. Evacuación: Evacuar a ≤10⁻³Pa.
4. Sellado: Sellar con llama de hidrógeno-oxígeno, manteniendo el tubo en posición horizontal.

3.2.3 Configuración del gradiente de temperatura

1. Temperatura de la zona caliente: ajuste entre 850 y 900 °C.
2. Temperatura de la zona fría: establezca entre 750 y 800 °C.
3. Longitud de la zona de gradiente: aproximadamente 100-150 mm.

3.2.4 Proceso de crecimiento

1. Primera etapa: Calentar a 500°C a 3°C/min, mantener durante 2 horas para permitir la reacción inicial entre el yodo y las materias primas.
2. Segunda etapa: Continuar calentando hasta la temperatura establecida, mantener el gradiente de temperatura y crecer durante 7 a 14 días.
3. Enfriamiento: Una vez completado el crecimiento, enfriar a temperatura ambiente a 1°C/min.

3.2.5 Recopilación de productos

1. Apertura del tubo: Abra el tubo de cuarzo en una caja de guantes.
2. Recolección: Recoge los monocristales de ZnTe en el extremo frío.
3. Limpieza: Limpie ultrasónicamente con etanol anhidro durante 5 minutos para eliminar el yodo adsorbido en la superficie.

3.3 Puntos de control del proceso

1. Control de la cantidad de yodo: La concentración de yodo afecta la tasa de transporte; el rango óptimo es de 5 a 8 mg/cm³.
2. Gradiente de temperatura: mantener el gradiente entre 50-100 °C.
3. Tiempo de crecimiento: normalmente de 7 a 14 días, dependiendo del tamaño del cristal deseado.

3.4 Análisis de ventajas y desventajas

Ventajas:

• Se pueden obtener monocristales de alta calidad.
• Tamaños de cristal más grandes
• Alta pureza

Desventajas:

• Ciclos de crecimiento largos
• Requisitos elevados de equipamiento
• Bajo rendimiento

4. Método basado en soluciones para la síntesis de nanomateriales de ZnTe

4.1 Principio

Los métodos basados ​​en soluciones controlan las reacciones de los precursores en solución para preparar nanopartículas o nanocables de ZnTe. Una reacción típica es:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Procedimiento detallado

4.2.1 Preparación de reactivos

1. Zinc Fuente: Acetato de zinc (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), pureza ≥99,99%.
2. Telurio Fuente: Dióxido de telurio (TeO₂), pureza ≥99,99%.
3. Agente reductor: Borohidruro de sodio (NaBH₄), pureza ≥98%.
4. Disolventes: Agua desionizada, etilendiamina, etanol.
5. Tensioactivo: Bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB).

4.2.2 Preparación del precursor del telurio

1. Preparación de la solución: disuelva 0,1 mmol de TeO₂ en 20 ml de agua desionizada.
2. Reacción de reducción: agregar 0,5 mmol de NaBH₄, agitar magnéticamente durante 30 minutos para generar una solución de HTe⁻.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂ ↑
3. Atmósfera protectora: mantener el flujo de nitrógeno en todo momento para evitar la oxidación.

4.2.3 Síntesis de nanopartículas de ZnTe

1. Preparación de la solución de zinc: disuelva 0,1 mmol de acetato de zinc en 30 ml de etilendiamina.
2. Reacción de mezcla: agregue lentamente la solución de HTe⁻ a la solución de zinc, reaccione a 80 °C durante 6 horas.
3. Centrifugación: Después de la reacción, centrifugar a 10.000 rpm durante 10 minutos para recoger el producto.
4. Lavado: Lavar alternativamente con etanol y agua desionizada tres veces.
5. Secado: Secar al vacío a 60°C durante 6 horas.

4.2.4 Síntesis de nanocables de ZnTe

1. Adición de plantilla: agregue 0,2 g de CTAB a la solución de zinc.
2. Reacción hidrotermal: Transferir la solución mezclada a un autoclave revestido de teflón de 50 ml, reaccionar a 180 °C durante 12 horas.
3. Posprocesamiento: Igual que para las nanopartículas.

4.3 Optimización de parámetros del proceso

1. Control de temperatura: 80-90°C para nanopartículas, 180-200°C para nanocables.
2. Valor de pH: Mantener entre 9-11.
3. Tiempo de reacción: 4-6 horas para nanopartículas, 12-24 horas para nanocables.

4.4 Análisis de ventajas y desventajas

Ventajas:

• Reacción a baja temperatura, ahorro de energía.
• Morfología y tamaño controlables
• Adecuado para producción a gran escala.

Desventajas:

• Los productos pueden contener impurezas.
• Requiere posprocesamiento
• Menor calidad del cristal

5. Epitaxia de haz molecular (MBE) para la preparación de películas delgadas de ZnTe

5.1 Principio

MBE hace crecer películas delgadas de monocristal de ZnTe dirigiendo haces moleculares de Zn y Te sobre un sustrato en condiciones de ultra alto vacío, controlando con precisión las relaciones de flujo del haz y la temperatura del sustrato.

5.2 Procedimiento detallado

5.2.1 Preparación del sistema

1. Sistema de vacío: Vacío base ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Preparación de la fuente:
   • Fuente de zinc: zinc de alta pureza 6N en crisol BN.
   • Fuente de telurio: telurio de alta pureza 6N en crisol PBN.
3. Preparación del sustrato:
   • Sustrato de GaAs(100) de uso común.
   • Limpieza del sustrato: Limpieza con disolventes orgánicos → grabado ácido → enjuague con agua desionizada → secado con nitrógeno.

5.2.2 Proceso de crecimiento

1. Desgasificación del sustrato: Hornear a 200°C durante 1 hora para eliminar los adsorbidos de la superficie.
2. Eliminación de óxido: calentar a 580 °C y mantener durante 10 minutos para eliminar los óxidos de la superficie.
3. Crecimiento de la capa tampón: enfriar a 300 °C y hacer crecer una capa tampón de ZnTe de 10 nm.
4. Crecimiento principal:
   • Temperatura del sustrato: 280-320°C.
   • Presión equivalente de la viga de zinc: 1×10⁻⁶Torr.
   • Presión equivalente del haz de telurio: 2×10⁻⁶Torr.
   • Relación V/III controlada a 1,5-2,0.
   • Tasa de crecimiento: 0,5-1μm/h.
5. Recocido: Después del crecimiento, recocer a 250 °C durante 30 minutos.

5.2.3 Monitoreo in situ

1. Monitoreo RHEED: Observación en tiempo real de la reconstrucción de la superficie y del modo de crecimiento.
2. Espectrometría de masas: monitorización de la intensidad del haz molecular.
3. Termometría infrarroja: control preciso de la temperatura del sustrato.

5.3 Puntos de control del proceso

1. Control de temperatura: La temperatura del sustrato afecta la calidad del cristal y la morfología de la superficie.
2. Relación de flujo del haz: la relación Te/Zn influye en los tipos y concentraciones de defectos.
3. Tasa de crecimiento: Las tasas más bajas mejoran la calidad del cristal.

5.4 Análisis de ventajas y desventajas

Ventajas:

• Composición precisa y control de dopaje.
• Películas monocristalinas de alta calidad.
• Se pueden conseguir superficies atómicamente planas.

Desventajas:

• Equipo costoso.
• Tasas de crecimiento lentas.
• Requiere habilidades operativas avanzadas.

6. Otros métodos de síntesis

6.1 Deposición química de vapor (CVD)

1. Precursores: dietilzinc (DEZn) y diisopropiltelururo (DIPTe).
2. Temperatura de reacción: 400-500°C.
3. Gas portador: nitrógeno o hidrógeno de alta pureza.
4. Presión: Atmosférica o baja presión (10-100Torr).

6.2 Evaporación térmica

1. Material de origen: polvo de ZnTe de alta pureza.
2. Nivel de vacío: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Temperatura de evaporación: 1000-1100°C.
4. Temperatura del sustrato: 200-300°C.

7. Conclusión

Existen diversos métodos para sintetizar telururo de zinc, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. La reacción en estado sólido es adecuada para la preparación de materiales a granel, el transporte de vapor produce monocristales de alta calidad, los métodos en solución son ideales para nanomateriales y el MBE se utiliza para películas delgadas de alta calidad. En la práctica, se debe seleccionar el método adecuado según los requisitos, con un control estricto de los parámetros del proceso para obtener materiales de ZnTe de alto rendimiento. Las futuras líneas de investigación incluyen la síntesis a baja temperatura, el control de la morfología y la optimización del proceso de dopaje.