1 परिचय

जिंक टेल्यूराइड (ZnTe) एक महत्वपूर्ण II-VI समूह अर्धचालक पदार्थ है जिसमें प्रत्यक्ष बैंडगैप संरचना होती है। कमरे के तापमान पर, इसका बैंडगैप लगभग 2.26eV होता है, और यह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, सौर कोशिकाओं, विकिरण डिटेक्टरों और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग पाता है। यह लेख जिंक टेल्यूराइड के लिए विभिन्न संश्लेषण प्रक्रियाओं का विस्तृत परिचय प्रदान करेगा, जिसमें ठोस-अवस्था प्रतिक्रिया, वाष्प परिवहन, समाधान-आधारित विधियाँ, आणविक बीम एपिटैक्सी आदि शामिल हैं। प्रत्येक विधि को उसके सिद्धांतों, प्रक्रियाओं, लाभों और नुकसानों और प्रमुख विचारों के संदर्भ में अच्छी तरह से समझाया जाएगा।

2. ZnTe संश्लेषण के लिए ठोस-अवस्था प्रतिक्रिया विधि

2.1 सिद्धांत

ठोस अवस्था प्रतिक्रिया विधि जिंक टेल्यूराइड तैयार करने के लिए सबसे पारंपरिक तरीका है, जहां उच्च शुद्धता वाले जिंक और टेल्यूरियम उच्च तापमान पर सीधे प्रतिक्रिया करके ZnTe बनाते हैं:

Zn + Te → ZnTe

2.2 विस्तृत प्रक्रिया

2.2.1 कच्चे माल की तैयारी

1. सामग्री का चयन: प्रारंभिक सामग्री के रूप में उच्च शुद्धता वाले जिंक कणिकाओं और ≥99.999% शुद्धता वाले टेल्यूरियम गांठों का उपयोग करें।
2. सामग्री पूर्व उपचार:
   • जिंक उपचार: सतह के ऑक्साइड को हटाने के लिए पहले 1 मिनट के लिए तनु हाइड्रोक्लोरिक एसिड (5%) में डुबोएं, विआयनीकृत जल से धोएं, निर्जल इथेनॉल से धोएं, और अंत में 2 घंटे के लिए 60°C पर वैक्यूम ओवन में सुखाएं।
   • टेल्यूरियम उपचार: सबसे पहले सतह के ऑक्साइड हटाने के लिए 30 सेकंड के लिए एक्वा रेजिया (HNO₃:HCl=1:3) में डुबोएं, तटस्थ होने तक विआयनीकृत जल से धोएं, निर्जल इथेनॉल से धोएं, और अंत में 3 घंटे के लिए 80°C पर वैक्यूम ओवन में सुखाएं।
3. वजन: कच्चे माल को स्टोइकोमेट्रिक अनुपात (Zn:Te=1:1) में तौलें। उच्च तापमान पर जिंक के संभावित वाष्पीकरण को ध्यान में रखते हुए, 2-3% अतिरिक्त जोड़ा जा सकता है।

2.2.2 सामग्री मिश्रण

1. पीसना और मिश्रण: तौले हुए जिंक और टेल्यूरियम को एगेट मोर्टार में रखें और आर्गन से भरे ग्लव बॉक्स में 30 मिनट तक पीसें, जब तक कि यह समान रूप से मिश्रित न हो जाए।
2. पेलेटीकरण: मिश्रित पाउडर को एक सांचे में रखें और 10-15 एमपीए दबाव में 10-20 मिमी व्यास वाले पेलेट में दबाएं।

2.2.3 प्रतिक्रिया पोत तैयारी

1. क्वार्ट्ज ट्यूब उपचार: उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज ट्यूब (आंतरिक व्यास 20-30 मिमी, दीवार की मोटाई 2-3 मिमी) का चयन करें, पहले 24 घंटे के लिए एक्वा रेजिया में भिगोएं, विआयनीकृत पानी से अच्छी तरह से धो लें, और 120 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में सुखाएं।
2. निकासी: कच्चे माल के छर्रों को क्वार्ट्ज ट्यूब में रखें, वैक्यूम सिस्टम से कनेक्ट करें, और ≤10⁻³Pa तक निकासी करें।
3. सीलिंग: हाइड्रोजन-ऑक्सीजन लौ का उपयोग करके क्वार्ट्ज ट्यूब को सील करें, वायुरोधीपन के लिए सीलिंग लंबाई ≥50 मिमी सुनिश्चित करें।

2.2.4 उच्च तापमान प्रतिक्रिया

1. प्रथम तापन चरण: सीलबंद क्वार्ट्ज ट्यूब को ट्यूब भट्टी में रखें और 2-3°C/मिनट की दर से 400°C तक गर्म करें, जिंक और टेल्यूरियम के बीच प्रारंभिक प्रतिक्रिया के लिए 12 घंटे तक रखें।
2. दूसरा तापन चरण: 1-2°C/मिनट पर 950-1050°C (क्वार्ट्ज मृदुकरण बिंदु 1100°C से नीचे) तक तापन जारी रखें, 24-48 घंटों तक रखें।
3. ट्यूब रॉकिंग: उच्च तापमान अवस्था के दौरान, भट्ठी को हर 2 घंटे में 45° पर झुकाएं और अभिकारकों का पूर्ण मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए कई बार हिलाएं।
4. ठंडा करना: प्रतिक्रिया पूर्ण होने के बाद, तापीय तनाव के कारण नमूने में दरार पड़ने से बचाने के लिए इसे धीरे-धीरे 0.5-1°C/मिनट पर कमरे के तापमान तक ठंडा करें।

2.2.5 उत्पाद प्रसंस्करण

1. उत्पाद हटाना: क्वार्ट्ज ट्यूब को ग्लोव बॉक्स में खोलें और प्रतिक्रिया उत्पाद को हटा दें।
2. पीसना: किसी भी अप्रतिक्रियाशील पदार्थ को हटाने के लिए उत्पाद को पुनः पीसकर पाउडर बना लें।
3. एनीलिंग: आंतरिक तनाव को दूर करने और क्रिस्टलीयता में सुधार करने के लिए पाउडर को 600°C पर आर्गन वातावरण में 8 घंटे तक एनीलिंग करें।
4. लक्षण-वर्णन: चरण शुद्धता और रासायनिक संरचना की पुष्टि करने के लिए XRD, SEM, EDS आदि का प्रदर्शन करें।

2.3 प्रक्रिया पैरामीटर अनुकूलन

1. तापमान नियंत्रण: इष्टतम प्रतिक्रिया तापमान 1000±20°C है। कम तापमान के कारण अपूर्ण प्रतिक्रिया हो सकती है, जबकि उच्च तापमान के कारण जिंक वाष्पीकृत हो सकता है।
2. समय नियंत्रण: पूर्ण प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने के लिए होल्डिंग समय ≥24 घंटे होना चाहिए।
3. शीतलन दर: धीमी शीतलन (0.5-1°C/मिनट) से बड़े क्रिस्टल कण प्राप्त होते हैं।

2.4 लाभ और हानि विश्लेषण

लाभ:

• सरल प्रक्रिया, कम उपकरण की आवश्यकता
• बैच उत्पादन के लिए उपयुक्त
• उच्च उत्पाद शुद्धता

नुकसान:

• उच्च प्रतिक्रिया तापमान, उच्च ऊर्जा खपत
• असमान अनाज आकार वितरण
• इसमें अल्प मात्रा में अप्रतिक्रियाशील पदार्थ हो सकते हैं

3. ZnTe संश्लेषण के लिए वाष्प परिवहन विधि

3.1 सिद्धांत

वाष्प परिवहन विधि अभिकारक वाष्प को जमा करने के लिए कम तापमान वाले क्षेत्र में ले जाने के लिए वाहक गैस का उपयोग करती है, जिससे तापमान प्रवणता को नियंत्रित करके ZnTe की दिशात्मक वृद्धि प्राप्त होती है। आयोडीन का उपयोग आमतौर पर परिवहन एजेंट के रूप में किया जाता है:

ZnTe(s) + I₂(g) ⇌ ZnI₂(g) + 1/2Te₂(g)

3.2 विस्तृत प्रक्रिया

3.2.1 कच्चे माल की तैयारी

1. सामग्री का चयन: उच्च शुद्धता वाले ZnTe पाउडर (शुद्धता ≥99.999%) या स्टोइकोमीट्रिक रूप से मिश्रित Zn और Te पाउडर का उपयोग करें।
2. परिवहन एजेंट तैयारी: उच्च शुद्धता वाले आयोडीन क्रिस्टल (शुद्धता ≥99.99%), 5-10mg/cm³ प्रतिक्रिया ट्यूब मात्रा की खुराक।
3. क्वार्ट्ज ट्यूब उपचार: ठोस अवस्था प्रतिक्रिया विधि के समान, लेकिन लम्बी क्वार्ट्ज ट्यूब (300-400 मिमी) की आवश्यकता होती है।

3.2.2 ट्यूब लोडिंग

1. सामग्री का स्थान: क्वार्ट्ज ट्यूब के एक छोर पर ZnTe पाउडर या Zn+Te मिश्रण रखें।
2. आयोडीन मिलाना: ग्लोव बॉक्स में क्वार्ट्ज ट्यूब में आयोडीन क्रिस्टल मिलाएं।
3. निकासी: ≤10⁻³Pa तक निकासी करें।
4. सील करना: ट्यूब को क्षैतिज रखते हुए हाइड्रोजन-ऑक्सीजन लौ से सील करें।

3.2.3 तापमान ढाल सेटअप

1. गर्म क्षेत्र तापमान: 850-900°C पर सेट करें।
2. ठंडे क्षेत्र का तापमान: 750-800°C पर सेट करें।
3. ग्रेडिएंट ज़ोन की लंबाई: लगभग 100-150 मिमी.

3.2.4 विकास प्रक्रिया

1. प्रथम चरण: 3°C/मिनट पर 500°C तक गर्म करें, आयोडीन और कच्चे माल के बीच प्रारंभिक प्रतिक्रिया के लिए 2 घंटे तक रखें।
2. दूसरा चरण: निर्धारित तापमान तक गर्म करना जारी रखें, तापमान प्रवणता बनाए रखें, और 7-14 दिनों तक उगाएं।
3. ठंडा करना: विकास पूरा होने के बाद, कमरे के तापमान पर 1°C/मिनट पर ठंडा करें।

3.2.5 उत्पाद संग्रह

1. ट्यूब खोलना: ग्लोव बॉक्स में क्वार्ट्ज ट्यूब खोलें।
2. संग्रहण: ठंडे सिरे पर ZnTe एकल क्रिस्टल एकत्रित करें।
3. सफाई: सतह पर अवशोषित आयोडीन को हटाने के लिए 5 मिनट तक निर्जल इथेनॉल से अल्ट्रासोनिक सफाई करें।

3.3 प्रक्रिया नियंत्रण बिंदु

1. आयोडीन मात्रा नियंत्रण: आयोडीन सांद्रता परिवहन दर को प्रभावित करती है; इष्टतम सीमा 5-8mg/cm³ है।
2. तापमान प्रवणता: प्रवणता 50-100°C के भीतर बनाए रखें।
3. विकास समय: आमतौर पर 7-14 दिन, वांछित क्रिस्टल आकार पर निर्भर करता है।

3.4 लाभ और हानि विश्लेषण

लाभ:

• उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल प्राप्त किये जा सकते हैं
• बड़े क्रिस्टल आकार
• उच्च शुद्धता

नुकसान:

• लंबे विकास चक्र
• उच्च उपकरण आवश्यकताएँ
• कम प्राप्ति

4. ZnTe नैनोमटेरियल संश्लेषण के लिए समाधान-आधारित विधि

4.1 सिद्धांत

समाधान-आधारित विधियाँ ZnTe नैनोकणों या नैनोवायरों को तैयार करने के लिए समाधान में पूर्ववर्ती प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करती हैं। एक विशिष्ट प्रतिक्रिया है:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 विस्तृत प्रक्रिया

4.2.1 अभिकर्मक तैयारी

1. जिंक स्रोत: जिंक एसीटेट (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), शुद्धता ≥99.99%.
2. टेल्यूरियम स्रोत: टेल्यूरियम डाइऑक्साइड (TeO₂), शुद्धता ≥99.99%.
3. अपचायक एजेंट: सोडियम बोरोहाइड्राइड (NaBH₄), शुद्धता ≥98%.
4. विलायक: विआयनीकृत जल, एथिलीनडायमीन, इथेनॉल।
5. सर्फेक्टेंट: सिटाइलट्राइमेथिलैमोनियम ब्रोमाइड (CTAB).

4.2.2 टेल्यूरियम प्रीकर्सर तैयारी

1. घोल की तैयारी: 20 मिलीलीटर विआयनीकृत जल में 0.1mmol TeO₂ घोलें।
2. अपचयन अभिक्रिया: 0.5mmol NaBH₄ मिलाएं, HTe⁻ विलयन बनाने के लिए 30 मिनट तक चुम्बकीय रूप से हिलाएं।
   TeO₂ + 3BH₄⁻ + 3H₂O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H₂↑
3. सुरक्षात्मक वातावरण: ऑक्सीकरण को रोकने के लिए पूरे वातावरण में नाइट्रोजन का प्रवाह बनाए रखें।

4.2.3 ZnTe नैनोकण संश्लेषण

1. जिंक घोल तैयार करना: 30 मिलीलीटर एथिलीनडायमाइन में 0.1mmol जिंक एसीटेट घोलें।
2. मिश्रण अभिक्रिया: जिंक विलयन में धीरे-धीरे HTe⁻ विलयन मिलाएं, 80°C पर 6 घंटे तक अभिक्रिया करें।
3. अपकेन्द्रण: प्रतिक्रिया के बाद, उत्पाद को एकत्र करने के लिए 10,000rpm पर 10 मिनट तक अपकेन्द्रण करें।
4. धुलाई: इथेनॉल और विआयनीकृत जल से बारी-बारी से तीन बार धुलाई करें।
5. सुखाना: 60°C पर 6 घंटे तक वैक्यूम सुखाएं।

4.2.4 ZnTe नैनोवायर संश्लेषण

1. टेम्पलेट जोड़: जिंक घोल में 0.2 ग्राम CTAB मिलाएं।
2. हाइड्रोथर्मल अभिक्रिया: मिश्रित विलयन को 50 मिलीलीटर टेफ्लॉन-लाइन वाले आटोक्लेव में स्थानांतरित करें, 180°C पर 12 घंटे तक अभिक्रिया करें।
3. पोस्ट-प्रोसेसिंग: नैनोकणों के समान।

4.3 प्रक्रिया पैरामीटर अनुकूलन

1. तापमान नियंत्रण: नैनोकणों के लिए 80-90°C, नैनोवायरों के लिए 180-200°C.
2. पीएच मान: 9-11 के बीच बनाए रखें।
3. प्रतिक्रिया समय: नैनोकणों के लिए 4-6 घंटे, नैनोतारों के लिए 12-24 घंटे।

4.4 लाभ और हानि विश्लेषण

लाभ:

• कम तापमान प्रतिक्रिया, ऊर्जा की बचत
• नियंत्रण योग्य आकृति विज्ञान और आकार
• बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त

नुकसान:

• उत्पादों में अशुद्धियाँ हो सकती हैं
• पोस्ट-प्रोसेसिंग की आवश्यकता है
• निम्न क्रिस्टल गुणवत्ता

5. ZnTe पतली फिल्म तैयार करने के लिए आणविक बीम एपिटैक्सी (MBE)

5.1 सिद्धांत

एमबीई, अत्यधिक उच्च निर्वात स्थितियों के तहत सब्सट्रेट पर Zn और Te की आणविक किरणों को निर्देशित करके ZnTe एकल-क्रिस्टल पतली फिल्मों का निर्माण करता है, तथा किरण प्रवाह अनुपात और सब्सट्रेट तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करता है।

5.2 विस्तृत प्रक्रिया

5.2.1 सिस्टम तैयारी

1. वैक्यूम सिस्टम: बेस वैक्यूम ≤1×10⁻⁸Pa.
2. स्रोत तैयारी:
   • जिंक स्रोत: BN क्रूसिबल में 6N उच्च शुद्धता वाला जिंक।
   • टेल्यूरियम स्रोत: पीबीएन क्रूसिबल में 6एन उच्च शुद्धता वाला टेल्यूरियम।
3. सब्सट्रेट तैयारी:
   • सामान्यतः प्रयुक्त GaAs(100) सब्सट्रेट.
   • सब्सट्रेट सफाई: कार्बनिक विलायक सफाई → एसिड नक़्क़ाशी → विआयनीकृत पानी धोने → नाइट्रोजन सुखाने।

5.2.2 विकास प्रक्रिया

1. सब्सट्रेट आउटगैसिंग: सतह के अधिशोष्य को हटाने के लिए 200°C पर 1 घंटे तक बेक करें।
2. ऑक्साइड हटाना: सतह के ऑक्साइड हटाने के लिए 580°C तक गर्म करें, 10 मिनट तक रखें।
3. बफर परत वृद्धि: 300°C तक ठंडा करें, 10nm ZnTe बफर परत विकसित करें।
4. मुख्य विकास:
   • सब्सट्रेट तापमान: 280-320°C.
   • जिंक बीम समतुल्य दबाव: 1×10⁻⁶Torr.
   • टेल्यूरियम बीम समतुल्य दबाव: 2×10⁻⁶टॉर.
   • V/III अनुपात 1.5-2.0 पर नियंत्रित।
   • विकास दर: 0.5-1μm/h.
5. एनीलिंग: वृद्धि के बाद, 250°C पर 30 मिनट के लिए एनीलिंग करें।

5.2.3 इन-सीटू मॉनिटरिंग

1. आरएचईईडी मॉनिटरिंग: सतह पुनर्निर्माण और विकास मोड का वास्तविक समय अवलोकन।
2. मास स्पेक्ट्रोमेट्री: आणविक किरण तीव्रता की निगरानी करें।
3. इन्फ्रारेड थर्मोमेट्री: सटीक सब्सट्रेट तापमान नियंत्रण।

5.3 प्रक्रिया नियंत्रण बिंदु

1. तापमान नियंत्रण: सब्सट्रेट का तापमान क्रिस्टल की गुणवत्ता और सतह की आकृति को प्रभावित करता है।
2. बीम फ्लक्स अनुपात: Te/Zn अनुपात दोष के प्रकार और सांद्रता को प्रभावित करता है।
3. विकास दर: कम दर से क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार होता है।

5.4 लाभ और हानि विश्लेषण

लाभ:

• सटीक संरचना और डोपिंग नियंत्रण।
• उच्च गुणवत्ता वाली एकल-क्रिस्टल फिल्में।
• परमाणु रूप से समतल सतह प्राप्त की जा सकती है।

नुकसान:

• महंगे उपकरण.
• धीमी विकास दर.
• उन्नत परिचालन कौशल की आवश्यकता है।

6. अन्य संश्लेषण विधियाँ

6.1 रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)

1. पूर्ववर्ती: डाइएथिलज़िंक (DEZn) और डाइआइसोप्रोपाइलटेल्यूराइड (DIPTe)।
2. प्रतिक्रिया तापमान: 400-500°C.
3. वाहक गैस: उच्च शुद्धता नाइट्रोजन या हाइड्रोजन।
4. दबाव: वायुमंडलीय या निम्न दबाव (10-100टोर)।

6.2 तापीय वाष्पीकरण

1. स्रोत सामग्री: उच्च शुद्धता वाला ZnTe पाउडर।
2. वैक्यूम स्तर: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. वाष्पीकरण तापमान: 1000-1100°C.
4. सब्सट्रेट तापमान: 200-300°C.

7. निष्कर्ष

जिंक टेल्यूराइड को संश्लेषित करने के लिए विभिन्न विधियाँ मौजूद हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने फायदे और नुकसान हैं। ठोस अवस्था प्रतिक्रिया थोक सामग्री की तैयारी के लिए उपयुक्त है, वाष्प परिवहन उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल उत्पन्न करता है, समाधान विधियाँ नैनोमटेरियल के लिए आदर्श हैं, और MBE का उपयोग उच्च गुणवत्ता वाली पतली फिल्मों के लिए किया जाता है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों को उच्च प्रदर्शन ZnTe सामग्री प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया मापदंडों के सख्त नियंत्रण के साथ आवश्यकताओं के आधार पर उपयुक्त विधि का चयन करना चाहिए। भविष्य की दिशाओं में निम्न-तापमान संश्लेषण, आकृति विज्ञान नियंत्रण और डोपिंग प्रक्रिया अनुकूलन शामिल हैं।