1. บทนำ

สังกะสีเทลลูไรด์ (ZnTe) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์กลุ่ม II-VI ที่สำคัญซึ่งมีโครงสร้างแบนด์แก๊ปโดยตรง ที่อุณหภูมิห้อง แบนด์แก๊ปของสังกะสีเทลลูไรด์อยู่ที่ประมาณ 2.26eV และมีการนำไปใช้ในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เซลล์แสงอาทิตย์ เครื่องตรวจจับรังสี และสาขาอื่นๆ บทความนี้จะแนะนำรายละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์สังกะสีเทลลูไรด์ต่างๆ รวมถึงปฏิกิริยาโซลิดสเตต การขนส่งไอ วิธีการที่ใช้สารละลาย เอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล เป็นต้น แต่ละวิธีจะได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในแง่ของหลักการ ขั้นตอน ข้อดีและข้อเสีย และข้อควรพิจารณาที่สำคัญ

2. วิธีการปฏิกิริยาของแข็งสำหรับการสังเคราะห์ ZnTe

2.1 หลักการ

วิธีการปฏิกิริยาของแข็งเป็นแนวทางดั้งเดิมที่สุดในการเตรียมสังกะสีเทลลูไรด์ โดยสังกะสีและเทลลูเรียมที่มีความบริสุทธิ์สูงจะทำปฏิกิริยาโดยตรงที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้าง ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 ขั้นตอนโดยละเอียด

2.2.1 การเตรียมวัตถุดิบ

1. การคัดเลือกวัสดุ: ใช้เม็ดสังกะสีที่มีความบริสุทธิ์สูงและก้อนเทลลูเรียมที่มีความบริสุทธิ์ ≥ 99.999% เป็นวัตถุดิบเริ่มต้น
2. การเตรียมวัสดุเบื้องต้น:
   • การบำบัดด้วยสังกะสี: จุ่มในกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง (5%) เป็นเวลา 1 นาที เพื่อขจัดออกไซด์บนพื้นผิว ล้างด้วยน้ำที่ผ่านการดีไอออน ล้างด้วยเอธานอลปราศจากน้ำ และสุดท้ายทำให้แห้งในตู้อบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 60°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง
   • การบำบัดด้วยเทลลูเรียม: จุ่มลงในน้ำกรด (HNO₃:HCl=1:3) เป็นเวลา 30 วินาทีก่อน เพื่อขจัดออกไซด์บนพื้นผิว ล้างด้วยน้ำดีไอออนไนซ์จนเป็นกลาง ล้างด้วยเอธานอลปราศจากน้ำ และสุดท้ายทำให้แห้งในตู้อบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 80°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมง
3. การชั่งน้ำหนัก: ชั่งน้ำหนักวัตถุดิบในอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริก (Zn:Te=1:1) โดยคำนึงถึงการระเหยของสังกะสีที่อาจเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิสูง อาจเพิ่มปริมาณสังกะสีเกิน 2-3% ก็ได้

2.2.2 การผสมวัสดุ

1. การบดและการผสม: วางสังกะสีและเทลลูเรียมที่ชั่งแล้วลงในครกหินอะเกต แล้วบดในกล่องถุงมือที่เต็มไปด้วยอาร์กอนเป็นเวลา 30 นาทีจนกระทั่งผสมเข้ากันดี
2. การทำให้เป็นเม็ด: วางผงที่ผสมแล้วลงในแม่พิมพ์ แล้วกดให้เป็นเม็ดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-20 มม. ภายใต้ความดัน 10-15 MPa

2.2.3 การเตรียมภาชนะปฏิกิริยา

1. การบำบัดหลอดควอตซ์: เลือกหลอดควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 20-30 มม. ความหนาของผนัง 2-3 มม.) แช่ใน Aqua Regia ก่อนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ล้างออกให้สะอาดด้วยน้ำดีไอออน แล้วจึงอบให้แห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 120°C
2. การอพยพ: วางเม็ดวัตถุดิบลงในหลอดควอตซ์ เชื่อมต่อกับระบบสุญญากาศ และอพยพออกไปที่ ≤10⁻³Pa
3. การปิดผนึก: ปิดผนึกท่อควอตซ์โดยใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจน โดยให้แน่ใจว่าความยาวในการปิดผนึก ≥50 มม. เพื่อความแน่นหนาของอากาศ

2.2.4 ปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง

1. ขั้นตอนการให้ความร้อนขั้นแรก: วางหลอดควอทซ์ที่ปิดผนึกไว้ในเตาเผาหลอดและให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 400°C ด้วยอัตรา 2-3°C/นาที เป็นเวลา 12 ชั่วโมงเพื่อให้สังกะสีและเทลลูเรียมเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น
2. ขั้นตอนการให้ความร้อนขั้นที่ 2: ให้ความร้อนต่อไปจนถึงอุณหภูมิ 950-1,050°C (ต่ำกว่าจุดอ่อนตัวของควอตซ์ที่ 1,100°C) ในอัตรา 1-2°C/นาที เป็นเวลา 24-48 ชั่วโมง
3. การโยกท่อ: ในระหว่างขั้นตอนอุณหภูมิสูง ให้เอียงเตาที่ 45° ทุกๆ 2 ชั่วโมง และโยกหลายๆ ครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าสารตั้งต้นผสมกันอย่างทั่วถึง
4. การทำให้เย็น: หลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้น ให้ทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิห้องที่ 0.5-1°C/นาที เพื่อป้องกันไม่ให้ตัวอย่างแตกร้าวเนื่องจากความเครียดจากความร้อน

2.2.5 การแปรรูปผลิตภัณฑ์

1. การนำผลิตภัณฑ์ออก: เปิดหลอดควอตซ์ในกล่องใส่ถุงมือและนำผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาออก
2. การบด: บดผลิตภัณฑ์ให้เป็นผงเพื่อขจัดวัสดุที่ไม่ทำปฏิกิริยาใดๆ
3. การอบ: อบผงที่อุณหภูมิ 600°C ภายใต้บรรยากาศอาร์กอนเป็นเวลา 8 ชั่วโมงเพื่อบรรเทาความเครียดภายในและปรับปรุงความเป็นผลึก
4. ลักษณะเฉพาะ: ดำเนินการ XRD, SEM, EDS ฯลฯ เพื่อยืนยันความบริสุทธิ์ของเฟสและองค์ประกอบทางเคมี

2.3 การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ

1. การควบคุมอุณหภูมิ: อุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสมคือ 1,000±20°C อุณหภูมิที่ต่ำกว่าอาจทำให้ปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นอาจทำให้สังกะสีระเหยได้
2. การควบคุมเวลา: เวลาในการยึดควรอยู่ที่ ≥ 24 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่ามีปฏิกิริยาสมบูรณ์
3. อัตราการทำให้เย็นลง: การทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ (0.5-1°C/นาที) ทำให้ได้เมล็ดผลึกขนาดใหญ่ขึ้น

2.4 การวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี:

• กระบวนการง่าย ๆ ความต้องการอุปกรณ์ต่ำ
• เหมาะสำหรับการผลิตแบบแบตช์
• ผลิตภัณฑ์มีความบริสุทธิ์สูง

ข้อเสีย :

• อุณหภูมิปฏิกิริยาสูง ใช้พลังงานสูง
• การกระจายขนาดเมล็ดพืชที่ไม่สม่ำเสมอ
• อาจมีวัสดุที่ยังไม่เกิดปฏิกิริยาจำนวนเล็กน้อย

3. วิธีการขนส่งไอระเหยสำหรับการสังเคราะห์ ZnTe

3.1 หลักการ

วิธีการขนส่งไอจะใช้ก๊าซพาหะในการขนส่งไอของสารตั้งต้นไปยังโซนอุณหภูมิต่ำเพื่อการสะสม ซึ่งจะทำให้ ZnTe เติบโตตามทิศทางโดยควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิ โดยทั่วไปไอโอดีนจะใช้เป็นตัวขนส่ง:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 ขั้นตอนโดยละเอียด

3.2.1 การเตรียมวัตถุดิบ

1. การเลือกใช้วัสดุ: ใช้ผง ZnTe ที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์ ≥99.999%) หรือผง Zn และ Te ที่ผสมตามสัดส่วนเคมี
2. การเตรียมตัวแทนการขนส่ง: ผลึกไอโอดีนที่มีความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์ ≥99.99%) ปริมาณหลอดปฏิกิริยาในปริมาตร 5-10 มก./ซม.³
3. การบำบัดด้วยหลอดควอตซ์: เช่นเดียวกับวิธีการเกิดปฏิกิริยาแบบของแข็ง แต่ต้องใช้หลอดควอตซ์ที่ยาวกว่า (300-400 มม.)

3.2.2 การโหลดท่อ

1. การวางวัสดุ: วางผง ZnTe หรือส่วนผสม Zn+Te ไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของหลอดควอตซ์
2. การเติมไอโอดีน: เติมผลึกไอโอดีนลงในหลอดควอตซ์ในกล่องใส่ถุงมือ
3. การอพยพ: อพยพไปที่ ≤10⁻³Pa.
4. การปิดผนึก: ปิดผนึกด้วยเปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจน โดยให้ท่ออยู่ในแนวนอน

3.2.3 การตั้งค่าการไล่ระดับอุณหภูมิ

1. อุณหภูมิโซนร้อน: ตั้งไว้ที่ 850-900°C
2. อุณหภูมิโซนเย็น: ตั้งไว้ที่ 750-800°C
3. ความยาวโซนไล่ระดับ: ประมาณ 100-150 มม.

3.2.4 กระบวนการเจริญเติบโต

1. ขั้นตอนแรก: ให้ความร้อนถึง 500°C ที่ 3°C/นาที ค้างไว้ 2 ชั่วโมงเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นระหว่างไอโอดีนกับวัตถุดิบ
2. ขั้นตอนที่ 2: ให้ความร้อนต่อไปจนถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้ คงระดับอุณหภูมิเอาไว้ และให้เจริญเติบโตเป็นเวลา 7-14 วัน
3. การทำให้เย็น: หลังจากการเจริญเติบโตเสร็จสมบูรณ์ ให้ทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องที่ 1°C/นาที

3.2.5 การรวบรวมผลิตภัณฑ์

1. การเปิดท่อ: เปิดหลอดควอตซ์ในกล่องใส่ถุงมือ
2. การเก็บรวบรวม: รวบรวมผลึกเดี่ยว ZnTe จากปลายเย็น
3. การทำความสะอาด: ทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงด้วยเอธานอลปราศจากน้ำเป็นเวลา 5 นาที เพื่อขจัดไอโอดีนที่ดูดซับบนพื้นผิว

3.3 จุดควบคุมกระบวนการ

1. การควบคุมปริมาณไอโอดีน: ความเข้มข้นของไอโอดีนส่งผลต่ออัตราการขนส่ง ช่วงที่เหมาะสมคือ 5-8 มก./ซม.
2. ความไล่ระดับอุณหภูมิ: รักษาความไล่ระดับไว้ในช่วง 50-100°C
3. ระยะเวลาการเจริญเติบโต: โดยทั่วไปคือ 7-14 วัน ขึ้นอยู่กับขนาดผลึกที่ต้องการ

3.4 การวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี:

• สามารถรับผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงได้
• ขนาดคริสตัลที่ใหญ่ขึ้น
• ความบริสุทธิ์สูง

ข้อเสีย :

• วงจรการเจริญเติบโตที่ยาวนาน
• ความต้องการอุปกรณ์สูง
• ผลผลิตต่ำ

4. วิธีการที่ใช้สารละลายสำหรับการสังเคราะห์วัสดุนาโน ZnTe

4.1 หลักการ

วิธีการที่ใช้สารละลายควบคุมปฏิกิริยาของสารตั้งต้นในสารละลายเพื่อเตรียมอนุภาคหรือเส้นลวดนาโน ZnTe ปฏิกิริยาทั่วไปมีดังนี้:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 ขั้นตอนโดยละเอียด

4.2.1 การเตรียมสารเคมี

1. แหล่งสังกะสี: สังกะสีอะซิเตท (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O) ความบริสุทธิ์ ≥99.99%
2. แหล่งเทลลูเรียม: เทลลูเรียมไดออกไซด์ (TeO₂) ความบริสุทธิ์ ≥99.99%
3. ตัวรีดิวซ์: โซเดียมโบโรไฮไดรด์ (NaBH₄) ความบริสุทธิ์ ≥98%
4. ตัวทำละลาย: น้ำดีไอออนไนซ์, เอทิลีนไดอะมีน, เอธานอล
5. สารลดแรงตึงผิว: เซทิลไตรเมทิลแอมโมเนียมโบรไมด์ (CTAB)

4.2.2 การเตรียมสารตั้งต้นเทลลูเรียม

1. การเตรียมสารละลาย: ละลาย TeO₂ 0.1 มิลลิโมลในน้ำดีไอออนไนซ์ 20 มล.
2. ปฏิกิริยาการลด: เติม 0.5 มิลลิโมล NaBH₄ ผสมด้วยแม่เหล็กเป็นเวลา 30 นาที เพื่อสร้างสารละลาย HTe⁻
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → Hte⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. บรรยากาศป้องกัน: รักษาอัตราการไหลของไนโตรเจนตลอดเพื่อป้องกันการออกซิเดชัน

4.2.3 การสังเคราะห์อนุภาคนาโน ZnTe

1. การเตรียมสารละลายสังกะสี: ละลายสังกะสีอะซิเตท 0.1 มิลลิโมลในเอทิลีนไดอะมีน 30 มล.
2. ปฏิกิริยาการผสม: ค่อยๆ เติมสารละลาย HTe⁻ ลงในสารละลายสังกะสี ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 80°C เป็นเวลา 6 ชั่วโมง
3. การปั่นเหวี่ยง: หลังจากการปฏิกิริยาแล้ว ให้ปั่นเหวี่ยงที่ความเร็ว 10,000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 10 นาทีเพื่อรวบรวมผลิตภัณฑ์
4. การซัก: ซักสลับกับเอธานอลและน้ำดีไอออนสามครั้ง
5. การอบแห้ง: อบแห้งด้วยสุญญากาศที่อุณหภูมิ 60°C เป็นเวลา 6 ชั่วโมง

4.2.4 การสังเคราะห์ลวดนาโน ZnTe

1. การเพิ่มเทมเพลต: เติม CTAB 0.2 กรัมลงในสารละลายสังกะสี
2. ปฏิกิริยาไฮโดรเทอร์มอล: ถ่ายโอนสารละลายที่ผสมแล้วไปยังหม้ออัดไอน้ำที่บุด้วยเทฟลอนขนาด 50 มล. ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 180°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง
3. หลังการประมวลผล: เช่นเดียวกับอนุภาคนาโน

4.3 การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ

1. การควบคุมอุณหภูมิ: 80-90°C สำหรับอนุภาคนาโน 180-200°C สำหรับเส้นลวดนาโน
2. ค่า pH : คงอยู่ระหว่าง 9-11
3. เวลาปฏิกิริยา: 4-6 ชั่วโมงสำหรับอนุภาคนาโน 12-24 ชั่วโมงสำหรับเส้นลวดนาโน

4.4 การวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี:

• ปฏิกิริยาอุณหภูมิต่ำ ประหยัดพลังงาน
• รูปร่างและขนาดที่ควบคุมได้
• เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่

ข้อเสีย :

• ผลิตภัณฑ์อาจมีสิ่งเจือปน
• ต้องมีการประมวลผลภายหลัง
• คุณภาพคริสตัลต่ำกว่า

5. การเตรียมฟิล์มบาง ZnTe ด้วยเทคนิค Molecular Beam Epitaxy (MBE)

5.1 หลักการ

MBE ปลูกฟิล์มบางผลึกเดี่ยว ZnTe โดยการส่งลำแสงโมเลกุลของ Zn และ Te ไปยังพื้นผิวภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงมาก โดยควบคุมอัตราส่วนฟลักซ์ของลำแสงและอุณหภูมิพื้นผิวได้อย่างแม่นยำ

5.2 ขั้นตอนโดยละเอียด

5.2.1 การเตรียมระบบ

1. ระบบสูญญากาศ : สูญญากาศฐาน ≤1×10⁻⁸Pa.
2. การเตรียมแหล่งข้อมูล:
   • แหล่งสังกะสี: สังกะสีบริสุทธิ์สูง 6N ในเบ้าหลอม BN
   • แหล่งเทลลูเรียม: เทลลูเรียมบริสุทธิ์ 6N ในเบ้าหลอม PBN
3. การเตรียมพื้นผิว:
   • สารตั้งต้น GaAs(100) ที่ใช้กันทั่วไป
   • การทำความสะอาดพื้นผิว: การทำความสะอาดตัวทำละลายอินทรีย์ → การกัดกรด → การล้างด้วยน้ำดีไอออน → การทำให้แห้งด้วยไนโตรเจน

5.2.2 กระบวนการเจริญเติบโต

1. การปล่อยก๊าซออกจากพื้นผิว: อบที่อุณหภูมิ 200°C เป็นเวลา 1 ชั่วโมง เพื่อขจัดสารดูดซับบนพื้นผิว
2. การกำจัดออกไซด์: ให้ความร้อนถึง 580°C ค้างไว้ 10 นาที เพื่อกำจัดออกไซด์บนพื้นผิว
3. การเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์: เย็นถึง 300°C, เติบโตชั้นบัฟเฟอร์ ZnTe 10 นาโนเมตร
4. การเติบโตหลัก:
   • อุณหภูมิพื้นผิว: 280-320°C.
   • แรงดันเทียบเท่าลำแสงสังกะสี: 1×10⁻⁶Torr
   • แรงดันเทียบเท่าลำแสงเทลลูเรียม: 2×10⁻⁶ทอร์
   • อัตราส่วน V/III ควบคุมที่ 1.5-2.0
   • อัตราการเจริญเติบโต: 0.5-1μm/ชม.
5. การอบอ่อน: หลังจากการเจริญเติบโต อบอ่อนที่อุณหภูมิ 250°C เป็นเวลา 30 นาที

5.2.3 การตรวจสอบในพื้นที่

1. การตรวจสอบ RHEED: การสังเกตการสร้างพื้นผิวและโหมดการเติบโตแบบเรียลไทม์
2. การตรวจสเปกตรัมมวล: ตรวจสอบความเข้มของลำแสงโมเลกุล
3. เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรด: ควบคุมอุณหภูมิพื้นผิวได้อย่างแม่นยำ

5.3 จุดควบคุมกระบวนการ

1. การควบคุมอุณหภูมิ: อุณหภูมิของพื้นผิวส่งผลต่อคุณภาพของผลึกและสัณฐานวิทยาของพื้นผิว
2. อัตราส่วนฟลักซ์ลำแสง: อัตราส่วน Te/Zn มีอิทธิพลต่อประเภทและความเข้มข้นของข้อบกพร่อง
3. อัตราการเจริญเติบโต: อัตราที่ลดลงจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของคริสตัล

5.4 การวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี:

• การควบคุมองค์ประกอบและสารเจือปนที่แม่นยำ
• ฟิล์มชนิดผลึกเดี่ยวคุณภาพสูง
• สามารถทำพื้นผิวเรียบแบบอะตอมได้

ข้อเสีย :

• อุปกรณ์ราคาแพง.
• อัตราการเจริญเติบโตช้า
• ต้องมีทักษะการปฏิบัติงานขั้นสูง

6. วิธีการสังเคราะห์อื่น ๆ

6.1 การสะสมไอเคมี (CVD)

1. สารตั้งต้น: ไดเอทิลสังกะสี (DEZn) และไดไอโซโพรพิลเทลลูไรด์ (DIPTe)
2. อุณหภูมิปฏิกิริยา: 400-500°C.
3. ก๊าซพาหะ: ไนโตรเจนหรือไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง
4. ความดัน: ความดันบรรยากาศหรือความดันต่ำ (10-100Torr)

6.2 การระเหยด้วยความร้อน

1. วัตถุดิบต้นทาง: ผง ZnTe ที่มีความบริสุทธิ์สูง
2. ระดับสูญญากาศ: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. อุณหภูมิการระเหย: 1000-1100°C.
4. อุณหภูมิพื้นผิว: 200-300°C.

7. บทสรุป

มีวิธีการต่างๆ มากมายสำหรับการสังเคราะห์สังกะสีเทลลูไรด์ โดยแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน ปฏิกิริยาของแข็งเหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุจำนวนมาก การขนส่งไอทำให้ได้ผลึกเดี่ยวที่มีคุณภาพสูง วิธีการสารละลายเหมาะอย่างยิ่งสำหรับนาโนวัสดุ และ MBE ใช้สำหรับฟิล์มบางที่มีคุณภาพสูง การใช้งานจริงควรเลือกวิธีการที่เหมาะสมตามข้อกำหนด โดยมีการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการอย่างเข้มงวดเพื่อให้ได้วัสดุ ZnTe ประสิทธิภาพสูง แนวทางในอนาคต ได้แก่ การสังเคราะห์ที่อุณหภูมิต่ำ การควบคุมสัณฐานวิทยา และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการการเจือปนสาร