1. Giriş

Çinko tellür (ZnTe), doğrudan bant aralığı yapısına sahip önemli bir II-VI grubu yarı iletken malzemedir. Oda sıcaklığında, bant aralığı yaklaşık 2,26 eV'dir ve optoelektronik cihazlarda, güneş hücrelerinde, radyasyon dedektörlerinde ve diğer alanlarda geniş uygulamalar bulur. Bu makale, katı hal reaksiyonu, buhar taşıma, çözelti tabanlı yöntemler, moleküler ışın epitaksisi vb. dahil olmak üzere çinko tellür için çeşitli sentez süreçlerine ayrıntılı bir giriş sağlayacaktır. Her yöntem, prensipleri, prosedürleri, avantajları ve dezavantajları ve temel hususlar açısından ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

2. ZnTe Sentezi için Katı Hal Reaksiyon Yöntemi

2.1 İlke

Katı hal reaksiyon yöntemi, çinko tellür hazırlamanın en geleneksel yaklaşımıdır; burada yüksek saflıktaki çinko ve tellür, ZnTe oluşturmak üzere yüksek sıcaklıklarda doğrudan reaksiyona girer:

Çinko + Te → ZnTe

2.2 Ayrıntılı Prosedür

2.2.1 Hammadde Hazırlığı

1. Malzeme Seçimi: Başlangıç ​​malzemeleri olarak saflığı ≥%99,999 olan yüksek saflıkta çinko granülleri ve tellür topakları kullanın.
2. Malzeme Ön İşlemi:
   • Çinko işlemi: Öncelikle yüzey oksitlerini gidermek için seyreltik hidroklorik asitte (%5) 1 dakika bekletilir, deiyonize su ile durulanır, susuz etanol ile yıkanır ve son olarak 60°C'de vakumlu fırında 2 saat kurutulur.
   • Tellür işlemi: Öncelikle yüzey oksitlerini gidermek için 30 saniye boyunca kral suyuna (HNO₃:HCl=1:3) daldırın, nötr olana kadar deiyonize suyla durulayın, susuz etanol ile yıkayın ve son olarak 80°C'de vakumlu fırında 3 saat kurutun.
3. Tartım: Hammaddeleri stokiyometrik oranda (Zn:Te=1:1) tartın. Yüksek sıcaklıklarda olası çinko buharlaşması göz önüne alınarak %2-3 fazlalık eklenebilir.

2.2.2 Malzeme Karıştırma

1. Öğütme ve Karıştırma: Tartılan çinko ve tellürü bir akik havana koyun ve argon dolu bir eldiven kutusu içerisinde homojen bir şekilde karışana kadar 30 dakika öğütün.
2. Peletleme: Karıştırılmış tozu bir kalıba yerleştirin ve 10-15 MPa basınç altında 10-20 mm çapında peletlere presleyin.

2.2.3 Reaksiyon Kabının Hazırlanması

1. Kuvars Tüp İşlemi: Yüksek saflıkta kuvars tüpler seçin (iç çapı 20-30 mm, duvar kalınlığı 2-3 mm), önce 24 saat boyunca kral suyunda bekletin, deiyonize suyla iyice durulayın ve 120°C'lik bir fırında kurutun.
2. Tahliye: Hammadde peletlerini kuvars tüpe yerleştirin, bir vakum sistemine bağlayın ve ≤10⁻³Pa'ya kadar tahliye edin.
3. Sızdırmazlık: Kuvars tüpü hidrojen-oksijen alevi kullanarak kapatın ve hava geçirmezlik için ≥50 mm'lik bir sızdırmazlık uzunluğu sağlayın.

2.2.4 Yüksek Sıcaklık Reaksiyonu

1. Birinci Isıtma Aşaması: Kapalı kuvars tüpünü bir tüp fırına yerleştirin ve 2-3°C/dakika hızında 400°C'ye kadar ısıtın, çinko ile tellür arasında ilk reaksiyonun oluşması için 12 saat bekleyin.
2. İkinci Isıtma Aşaması: Kuvarsın yumuşama noktası olan 1100°C'nin altında (950-1050°C) 1-2°C/dk hızla ısıtmaya devam edin ve 24-48 saat bekleyin.
3. Tüp Sallama: Yüksek sıcaklık aşamasında, fırını her 2 saatte bir 45° açıyla eğin ve reaksiyon maddelerinin iyice karışmasını sağlamak için birkaç kez sallayın.
4. Soğutma: Reaksiyon tamamlandıktan sonra, numunenin termal stres nedeniyle çatlamasını önlemek için, 0,5-1°C/dakika hızında oda sıcaklığına kadar yavaşça soğutun.

2.2.5 Ürün İşleme

1. Ürünün Çıkarılması: Eldiven kutusu içindeki kuvars tüpü açın ve reaksiyon ürününü çıkarın.
2. Öğütme: Ürünü, tepkimeye girmeyen maddeleri uzaklaştırmak için tekrar toz haline getirin.
3. Tavlama: İç gerilimi azaltmak ve kristalliği artırmak için tozu 8 saat boyunca argon atmosferinde 600°C'de tavlayın.
4. Karakterizasyon: Faz saflığını ve kimyasal bileşimi doğrulamak için XRD, SEM, EDS vb. gerçekleştirin.

2.3 Proses Parametre Optimizasyonu

1. Sıcaklık Kontrolü: Optimum reaksiyon sıcaklığı 1000±20°C'dir. Daha düşük sıcaklıklar reaksiyonun tamamlanmamasına neden olabilirken, daha yüksek sıcaklıklar çinkonun uçmasına neden olabilir.
2. Zaman Kontrolü: Tam reaksiyonun sağlanması için bekletme süresi ≥24 saat olmalıdır.
3. Soğutma Hızı: Yavaş soğutma (0,5-1°C/dak) daha büyük kristal taneleri verir.

2.4 Avantaj ve Dezavantaj Analizi

Avantajları:

• Basit süreç, düşük ekipman gereksinimi
• Toplu üretime uygundur
• Yüksek ürün saflığı

Dezavantajları:

• Yüksek reaksiyon sıcaklığı, yüksek enerji tüketimi
• Tekdüze olmayan tane boyutu dağılımı
• Az miktarda tepkimeye girmeyen maddeler içerebilir

3. ZnTe Sentezi için Buhar Taşıma Yöntemi

3.1 İlke

Buhar taşıma yöntemi, reaksiyon buharlarını biriktirme için düşük sıcaklık bölgesine taşımak için bir taşıyıcı gaz kullanır ve sıcaklık gradyanlarını kontrol ederek ZnTe'nin yönlü büyümesini sağlar. İyot genellikle taşıma maddesi olarak kullanılır:

ZnTe(ler) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 Ayrıntılı Prosedür

3.2.1 Hammadde Hazırlığı

1. Malzeme Seçimi: Yüksek saflıkta ZnTe tozu (saflık ≥%99,999) veya stokiyometrik olarak karıştırılmış Zn ve Te tozları kullanın.
2. Taşıma Maddesinin Hazırlanması: Yüksek saflıkta iyot kristalleri (saflık ≥%99,99), 5-10 mg/cm³ dozda reaksiyon tüpü hacmi.
3. Kuvars Tüp İşlemi: Katı hal reaksiyon yöntemi ile aynıdır, ancak daha uzun kuvars tüpleri (300-400mm) gereklidir.

3.2.2 Tüp Yükleme

1. Malzeme Yerleşimi: Kuvars tüpünün bir ucuna ZnTe tozu veya Zn+Te karışımını yerleştirin.
2. İyot İlavesi: Eldiven kutusu içindeki kuvars tüpüne iyot kristalleri ekleyin.
3. Tahliye: ≤10⁻³Pa'ya kadar tahliye edin.
4. Sızdırmazlık: Tüpü yatay tutarak hidrojen-oksijen aleviyle kapatın.

3.2.3 Sıcaklık Gradyanı Kurulumu

1. Sıcak Bölge Sıcaklığı: 850-900°C'ye ayarlayın.
2. Soğuk Bölge Sıcaklığı: 750-800°C'ye ayarlayın.
3. Gradient Bölge Uzunluğu: Yaklaşık 100-150mm.

3.2.4 Büyüme Süreci

1. Birinci Aşama: 3°C/dk hızla 500°C'ye ısıtılır, iyot ile hammaddeler arasında ilk reaksiyonun oluşması için 2 saat bekletilir.
2. İkinci Aşama: Ayarlanan sıcaklığa kadar ısıtmaya devam edin, sıcaklık gradyanını koruyun ve 7-14 gün boyunca büyütün.
3. Soğutma: Büyüme tamamlandıktan sonra, dakikada 1°C'lik bir hızda oda sıcaklığına soğutun.

3.2.5 Ürün Koleksiyonu

1. Tüpün Açılması: Kuvars tüpü eldiven kutusu içerisinde açın.
2. Toplama: Soğuk uçtaki ZnTe tek kristallerini toplayın.
3. Temizleme: Yüzeye tutunan iyodu gidermek için 5 dakika boyunca susuz etanol ile ultrasonik temizlik yapın.

3.3 Proses Kontrol Noktaları

1. İyot Miktarı Kontrolü: İyot konsantrasyonu taşıma hızını etkiler; optimum aralık 5-8mg/cm³'tür.
2. Sıcaklık Eğimi: Eğimi 50-100°C arasında tutun.
3. Büyüme Süresi: İstenilen kristal boyutuna bağlı olarak genellikle 7-14 gün.

3.4 Avantaj ve Dezavantaj Analizi

Avantajları:

• Yüksek kaliteli tek kristaller elde edilebilir
• Daha büyük kristal boyutları
• Yüksek saflık

Dezavantajları:

• Uzun büyüme döngüleri
• Yüksek ekipman gereksinimleri
• Düşük verim

4. ZnTe Nanomalzeme Sentezi için Çözüme Dayalı Yöntem

4.1 İlke

Çözüm tabanlı yöntemler, ZnTe nanopartikülleri veya nanotelleri hazırlamak için çözeltideki öncül reaksiyonları kontrol eder. Tipik bir reaksiyon şudur:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Ayrıntılı Prosedür

4.2.1 Reaktif Hazırlama

1. Çinko Kaynağı: Çinko asetat (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), saflık ≥%99,99.
2. Tellür Kaynağı: Tellür dioksit (TeO₂), saflık ≥%99,99.
3. İndirgeyici Madde: Sodyum borohidrit (NaBH₄), saflık ≥%98.
4. Çözücüler: Deiyonize su, etilendiamin, etanol.
5. Yüzey aktif madde: Setiltrimetilamonyum bromür (CTAB).

4.2.2 Tellür Öncülünün Hazırlanması

1. Çözelti Hazırlama: 0,1 mmol TeO₂’yi 20 ml deiyonize suda çözün.
2. İndirgeme Reaksiyonu: 0,5 mmol NaBH₄ ekleyin, HTe⁻ çözeltisi oluşturmak için 30 dakika boyunca manyetik olarak karıştırın.
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. Koruyucu Atmosfer: Oksidasyonu önlemek için azot akışının her yerde sağlanması.

4.2.3 ZnTe Nanopartikül Sentezi

1. Çinko Çözeltisi Hazırlanması: 0,1 mmol çinko asetatı 30 ml etilendiaminde çözün.
2. Karıştırma Reaksiyonu: HTe⁻ çözeltisini yavaşça çinko çözeltisine ekleyin, 80°C’de 6 saat reaksiyona sokun.
3. Santrifüjleme: Reaksiyondan sonra, ürünü toplamak için 10.000 rpm'de 10 dakika santrifüjleyin.
4. Yıkama: Etanol ve deiyonize su ile üç kez dönüşümlü yıkama.
5. Kurutma: 60°C’de 6 saat vakumda kurutun.

4.2.4 ZnTe Nanotel Sentezi

1. Şablon Ekleme: Çinko çözeltisine 0,2 g CTAB ekleyin.
2. Hidrotermal Reaksiyon: Karıştırılmış çözeltiyi 50 ml'lik teflon kaplı bir otoklava aktarın, 180°C'de 12 saat reaksiyona sokun.
3. Son İşleme: Nanopartiküllerde olduğu gibi.

4.3 Proses Parametre Optimizasyonu

1. Sıcaklık Kontrolü: Nanopartiküller için 80-90°C, nanoteller için 180-200°C.
2. pH Değeri: 9-11 arasında muhafaza edin.
3. Tepkime Süresi: Nanopartiküller için 4-6 saat, nanoteller için 12-24 saat.

4.4 Avantaj ve Dezavantaj Analizi

Avantajları:

• Düşük sıcaklık reaksiyonu, enerji tasarrufu
• Kontrol edilebilir morfoloji ve boyut
• Büyük ölçekli üretime uygundur

Dezavantajları:

• Ürünler safsızlıklar içerebilir
• Son işlem gerektirir
• Düşük kristal kalitesi

5. ZnTe İnce Film Hazırlama İçin Moleküler Işın Epitaksi (MBE)

5.1 İlke

MBE, ultra yüksek vakum koşulları altında Zn ve Te'nin moleküler ışınlarını bir alt tabaka üzerine yönlendirerek ZnTe tek kristal ince filmler üretir ve ışın akısı oranlarını ve alt tabaka sıcaklığını hassas bir şekilde kontrol eder.

5.2 Ayrıntılı Prosedür

5.2.1 Sistem Hazırlığı

1. Vakum Sistemi: Taban vakumu ≤1×10⁻⁸Pa.
2. Kaynak Hazırlığı:
   • Çinko kaynağı: BN potasında 6N yüksek saflıkta çinko.
   • Tellür kaynağı: PBN pota içerisinde 6N yüksek saflıkta tellür.
3. Alt Tabaka Hazırlığı:
   • Yaygın olarak kullanılan GaAs(100) substratı.
   • Alt tabaka temizliği: Organik solventle temizleme → asitle aşındırma → deiyonize suyla durulama → azotla kurutma.

5.2.2 Büyüme Süreci

1. Alt Tabaka Gaz Giderimi: Yüzeydeki adsorbatları uzaklaştırmak için 200°C'de 1 saat pişirin.
2. Oksit Giderimi: Yüzey oksitlerini gidermek için 580°C'ye ısıtın, 10 dakika bekleyin.
3. Tampon Katman Büyümesi: 300°C'ye kadar soğutun, 10nm ZnTe tampon katmanı büyütün.
4. Ana Büyüme:
   • Alt tabaka sıcaklığı: 280-320°C.
   • Çinko kiriş eşdeğer basıncı: 1×10⁻⁶Torr.
   • Tellür ışın eşdeğer basıncı: 2×10⁻⁶Torr.
   • V/III oranı 1.5-2.0 arasında kontrol edildi.
   • Büyüme hızı: 0,5-1μm/saat.
5. Tavlama: Büyüme sonrasında 250°C’de 30 dakika tavlama yapın.

5.2.3 Yerinde İzleme

1. RHEED İzleme: Yüzey yeniden yapılanmasının ve büyüme modunun gerçek zamanlı gözlemlenmesi.
2. Kütle Spektrometrisi: Moleküler ışın yoğunluklarının izlenmesi.
3. Kızılötesi Termometre: Hassas alt tabaka sıcaklık kontrolü.

5.3 Proses Kontrol Noktaları

1. Sıcaklık Kontrolü: Alt tabaka sıcaklığı kristal kalitesini ve yüzey morfolojisini etkiler.
2. Işın Akısı Oranı: Te/Zn oranı kusur tiplerini ve konsantrasyonlarını etkiler.
3. Büyüme Oranı: Daha düşük oranlar kristal kalitesini iyileştirir.

5.4 Avantaj ve Dezavantaj Analizi

Avantajları:

• Hassas kompozisyon ve doping kontrolü.
• Yüksek kaliteli tek kristal filmler.
• Atomik olarak düz yüzeyler elde edilebilir.

Dezavantajları:

• Pahalı ekipmanlar.
• Yavaş büyüme oranları.
• İleri düzeyde operasyonel beceri gerektirir.

6. Diğer Sentez Yöntemleri

6.1 Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)

1. Öncüller: Dietilçinko (DEZn) ve diizopropiltellürid (DIPTe).
2. Reaksiyon Sıcaklığı: 400-500°C.
3. Taşıyıcı Gaz: Yüksek saflıkta azot veya hidrojen.
4. Basınç: Atmosferik veya düşük basınç (10-100Torr).

6.2 Termal Buharlaşma

1. Kaynak Malzeme: Yüksek saflıkta ZnTe tozu.
2. Vakum Seviyesi: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. Buharlaşma Sıcaklığı: 1000-1100°C.
4. Alt Tabaka Sıcaklığı: 200-300°C.

7. Sonuç

Çinko tellür sentezlemek için çeşitli yöntemler mevcuttur ve her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Katı hal reaksiyonu, toplu malzeme hazırlama için uygundur, buhar taşıma yüksek kaliteli tek kristaller verir, çözelti yöntemleri nanomalzemeler için idealdir ve MBE yüksek kaliteli ince filmler için kullanılır. Pratik uygulamalar, yüksek performanslı ZnTe malzemeleri elde etmek için işlem parametrelerinin sıkı kontrolü ile gereksinimlere göre uygun yöntemi seçmelidir. Gelecekteki yönler arasında düşük sıcaklıkta sentez, morfoloji kontrolü ve doping işlemi optimizasyonu yer almaktadır.