1. 서론

텔루르화아연(ZnTe)은 직접 밴드갭 구조를 갖는 중요한 II-VI족 반도체 물질입니다. 실온에서 밴드갭은 약 2.26eV이며, 광전자 소자, 태양 전지, 방사선 검출기 등 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 본 논문에서는 고체 반응, 증기 수송, 용액 기반 방법, 분자선 에피택시 등 다양한 텔루르화아연 합성 공정을 자세히 소개합니다. 각 공정의 원리, 절차, 장단점, 그리고 주요 고려 사항을 자세히 설명합니다.

2. ZnTe 합성을 위한 고체 반응법

2.1 원칙

고체 반응법은 텔루륨화 아연을 제조하는 가장 전통적인 방법으로, 고순도 아연과 텔루륨이 고온에서 직접 반응하여 ZnTe를 형성합니다.

Zn + Te → ZnTe

2.2 세부 절차

2.2.1 원료 준비

1. 재료 선정: 순도 ≥99.999%의 고순도 아연 과립과 텔루륨 덩어리를 원료로 사용합니다.
2. 재료 전처리:
   • 아연 처리: 먼저 묽은 염산(5%)에 1분간 담가 표면 산화물을 제거한 후, 탈이온수로 헹구고, 무수 에탄올로 세척한 후, 마지막으로 진공 오븐에서 60°C로 2시간 동안 건조합니다.
   • 텔루륨 처리: 먼저 왕수(HNO₃:HCl=1:3)에 30초간 담가 표면 산화물을 제거한 후, 중성이 될 때까지 탈이온수로 헹군 다음, 무수 에탄올로 세척하고 마지막으로 진공 오븐에서 80°C로 3시간 동안 건조합니다.
3. 칭량: 화학양론비(Zn:Te=1:1)로 원료의 칭량을 측정합니다. 고온에서 아연의 휘발 가능성을 고려하여 2~3% 과량 첨가할 수 있습니다.

2.2.2 재료 혼합

1. 분쇄 및 혼합: 무게를 잰 아연과 텔루륨을 마노 유발에 넣고 아르곤이 채워진 글러브 박스에서 30분 동안 균일하게 섞일 때까지 분쇄합니다.
2. 펠렛화: 혼합된 분말을 금형에 넣고 10-15MPa 압력에서 직경 10-20mm의 펠렛으로 압축합니다.

2.2.3 반응 용기 준비

1. 석영관 처리: 고순도 석영관(내경 20-30mm, 벽 두께 2-3mm)을 선택하고, 먼저 왕수에 24시간 담가둔 후, 탈이온수로 깨끗이 헹군 후, 120°C 오븐에서 건조합니다.
2. 배출: 원료 펠릿을 석영관에 넣고 진공 시스템에 연결한 후 ≤10⁻³Pa까지 배출합니다.
3. 밀봉: 수소-산소 화염을 사용하여 석영관을 밀봉하고 기밀성을 위해 밀봉 길이 ≥50mm를 확보합니다.

2.2.4 고온 반응

1. 1차 가열 단계: 밀봉된 석영관을 관로에 넣고 분당 2~3°C의 속도로 400°C까지 가열한 후, 아연과 텔루륨 사이에 초기 반응이 일어나도록 12시간 동안 유지합니다.
2. 2차 가열 단계: 1~2°C/분의 속도로 950~1050°C(석영 연화점 1100°C 아래)까지 계속 가열하고 24~48시간 동안 유지합니다.
3. 튜브 흔들기: 고온 단계에서는 2시간마다 용광로를 45°로 기울이고 여러 번 흔들어 반응물이 완전히 혼합되도록 합니다.
4. 냉각: 반응 완료 후, 열 응력으로 인한 샘플 균열을 방지하기 위해 0.5-1°C/min의 속도로 천천히 실온까지 냉각합니다.

2.2.5 제품 처리

1. 제품 제거: 글러브 박스에서 석영 튜브를 열고 반응 생성물을 제거합니다.
2. 분쇄: 반응하지 않은 물질을 제거하기 위해 제품을 다시 분쇄하여 분말로 만듭니다.
3. 어닐링: 분말을 아르곤 분위기에서 600°C로 8시간 동안 어닐링하여 내부 응력을 완화하고 결정성을 개선합니다.
4. 특성 분석: XRD, SEM, EDS 등을 수행하여 상 순도와 화학적 구성을 확인합니다.

2.3 프로세스 매개변수 최적화

1. 온도 조절: 최적 반응 온도는 1000±20°C입니다. 온도가 낮으면 반응이 불완전해질 수 있으며, 온도가 높으면 아연 휘발이 발생할 수 있습니다.
2. 시간 관리: 완전한 반응을 보장하기 위해 보류 시간은 ≥24시간이어야 합니다.
3. 냉각 속도: 천천히 냉각하면(0.5-1°C/분) 결정립이 커집니다.

2.4 장점 및 단점 분석

장점:

• 간단한 프로세스, 낮은 장비 요구 사항
• 일괄 생산에 적합
• 높은 제품 순도

단점:

• 높은 반응 온도, 높은 에너지 소비
• 불균일한 입자 크기 분포
• 반응하지 않은 물질이 소량 포함될 수 있습니다.

3. ZnTe 합성을 위한 증기 수송 방법

3.1 원칙

증기 수송법은 반응물 증기를 증착을 위한 저온 영역으로 운반하기 위해 운반 가스를 사용하며, 온도 구배를 제어하여 ZnTe의 방향성 성장을 달성합니다. 일반적으로 요오드가 수송제로 사용됩니다.

ZnTe(s) + I²(g) ⇌ ZnI²(g) + 1/2Te²(g)

3.2 세부 절차

3.2.1 원료 준비

1. 재료 선택: 고순도 ZnTe 분말(순도 ≥99.999%) 또는 화학양론적으로 혼합된 Zn 및 Te 분말을 사용하세요.
2. 수송제 준비: 고순도 요오드 결정(순도 ≥99.99%), 반응 튜브 부피당 5-10mg/cm³의 투여량.
3. 석영관 처리: 고체 반응 방법과 동일하지만, 더 긴 석영관(300-400mm)이 필요합니다.

3.2.2 튜브 로딩

1. 재료 배치: 석영관의 한쪽 끝에 ZnTe 분말이나 Zn+Te 혼합물을 놓습니다.
2. 요오드 첨가: 글러브 박스에 있는 석영관에 요오드 결정을 첨가합니다.
3. 대피: ≤10⁻³Pa로 대피하세요.
4. 밀봉: 튜브를 수평으로 유지하면서 수소-산소 불꽃으로 밀봉합니다.

3.2.3 온도 구배 설정

1. 고온 영역 온도: 850-900°C로 설정.
2. 저온 구역 온도: 750-800°C로 설정.
3. 경사대 길이: 약 100-150mm.

3.2.4 성장 과정

1. 1단계: 분당 3°C의 속도로 500°C까지 가열하고, 요오드와 원료 사이의 초기 반응이 일어날 수 있도록 2시간 동안 유지합니다.
2. 2단계: 설정 온도까지 계속 가열하고, 온도 기울기를 유지하며 7~14일 동안 성장시킵니다.
3. 냉각: 성장 완료 후 1°C/min의 속도로 실온까지 식힙니다.

3.2.5 제품 컬렉션

1. 튜브 열기: 글러브 박스에서 석영 튜브를 엽니다.
2. 수집: 차가운 쪽에서 ZnTe 단결정을 수집합니다.
3. 세척: 무수 에탄올을 사용하여 초음파 세척을 5분간 실시하여 표면에 흡착된 요오드를 제거합니다.

3.3 프로세스 제어 지점

1. 요오드 양 조절: 요오드 농도는 운반 속도에 영향을 미칩니다. 최적 범위는 5-8mg/cm³입니다.
2. 온도 구배: 50~100°C 내에서 온도 구배를 유지합니다.
3. 성장 시간: 일반적으로 7~14일, 원하는 결정 크기에 따라 다름.

3.4 장점 및 단점 분석

장점:

• 고품질의 단결정을 얻을 수 있습니다
• 더 큰 결정 크기
• 고순도

단점:

• 긴 성장주기
• 높은 장비 요구 사항
• 낮은 수확량

4. ZnTe 나노소재 합성을 위한 용액 기반 방법

4.1 원칙

용액 기반 방법은 용액 내 전구체 반응을 제어하여 ZnTe 나노입자 또는 나노와이어를 제조합니다. 일반적인 반응은 다음과 같습니다.

Zn²⁺ + H2Te⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 세부 절차

4.2.1 시약 준비

1. 아연 공급원: 아세트산 아연(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), 순도 ≥99.99%.
2. 텔루륨 출처: 이산화텔루륨(TeO₂), 순도 ≥99.99%.
3. 환원제: 수소화붕소나트륨(NaBH₄), 순도 ≥98%.
4. 용매: 탈이온수, 에틸렌디아민, 에탄올.
5. 계면활성제: 세틸트리메틸암모늄브로마이드(CTAB).

4.2.2 텔루륨 전구체 제조

1. 용액 제조: 0.1mmol TeO₂를 20ml의 탈이온수에 녹입니다.
2. 환원 반응: 0.5mmol NaBH₄를 첨가하고 30분 동안 자기적으로 교반하여 HTe⁻ 용액을 생성합니다.
   TeO2 + 3BH₄⁻ + 3H2O → HTe⁻ + 3B(OH)₃ + 3H2↑
3. 보호 분위기: 산화를 방지하기 위해 질소 흐름을 전반적으로 유지합니다.

4.2.3 ZnTe 나노입자 합성

1. 아연 용액 제조: 0.1mmol의 아세트산 아연을 에틸렌디아민 30ml에 녹입니다.
2. 혼합반응: HTe⁻ 용액을 아연 용액에 천천히 첨가하고 80°C에서 6시간 동안 반응시킨다.
3. 원심분리: 반응 후 10,000rpm에서 10분간 원심분리하여 생성물을 수집합니다.
4. 세척: 에탄올과 탈이온수로 번갈아가며 3회 세척합니다.
5. 건조: 60°C에서 6시간 동안 진공 건조합니다.

4.2.4 ZnTe 나노와이어 합성

1. 템플릿 추가: 아연 용액에 0.2g CTAB를 추가합니다.
2. 수열반응: 혼합 용액을 50ml 테프론 라이닝 오토클레이브에 옮겨 담고 180°C에서 12시간 동안 반응시킵니다.
3. 후처리: 나노입자와 동일합니다.

4.3 프로세스 매개변수 최적화

1. 온도 조절: 나노입자의 경우 80~90°C, 나노와이어의 경우 180~200°C.
2. pH 값: 9-11 사이를 유지하세요.
3. 반응 시간: 나노입자의 경우 4~6시간, 나노와이어의 경우 12~24시간.

4.4 장점 및 단점 분석

장점:

• 저온 반응, 에너지 절약
• 조절 가능한 형태와 크기
• 대량 생산에 적합

단점:

• 제품에 불순물이 포함될 수 있습니다
• 후처리가 필요합니다
• 낮은 결정 품질

5. ZnTe 박막 제조를 위한 분자빔 에피택시(MBE)

5.1 원칙

MBE는 초고진공 조건에서 기판에 Zn과 Te의 분자빔을 조사하여 ZnTe 단결정 박막을 성장시키고, 빔 플럭스 비율과 기판 온도를 정밀하게 제어합니다.

5.2 세부 절차

5.2.1 시스템 준비

1. 진공 시스템: 기본 진공 ≤1×10⁻⁸Pa.
2. 소스 준비:
   • 아연 공급원: BN 도가니에 6N 고순도 아연을 넣습니다.
   • 텔루륨 공급원: PBN 도가니에 담긴 6N 고순도 텔루륨.
3. 기판 준비:
   • 일반적으로 사용되는 GaAs(100) 기판입니다.
   • 기판 세척: 유기용매 세척 → 산 에칭 → 탈이온수 헹굼 → 질소 건조.

5.2.2 성장 과정

1. 기판 가스 제거: 표면 흡착물을 제거하기 위해 200°C에서 1시간 동안 굽습니다.
2. 산화물 제거: 580°C까지 가열하고 10분간 유지하여 표면 산화물을 제거합니다.
3. 버퍼층 성장: 300°C로 냉각하고 10nm ZnTe 버퍼층을 성장시킵니다.
4. 주요 성장:
   • 기판 온도: 280-320°C.
   • 아연 빔 등가 압력: 1×10⁻⁶Torr.
   • 텔루륨 빔 등가 압력: 2×10⁻6Torr.
   • V/III 비율은 1.5-2.0으로 조절됩니다.
   • 성장률: 0.5-1μm/h.
5. 어닐링: 성장 후 250°C에서 30분간 어닐링합니다.

5.2.3 현장 모니터링

1. RHEED 모니터링: 표면 재구성 및 성장 모드의 실시간 관찰.
2. 질량 분석법: 분자 빔 강도를 모니터링합니다.
3. 적외선 온도 측정: 기판 온도를 정밀하게 제어합니다.

5.3 프로세스 제어 지점

1. 온도 제어: 기판 온도는 결정 품질과 표면 형태에 영향을 미칩니다.
2. 빔 플럭스 비율: Te/Zn 비율은 결함 유형과 농도에 영향을 미칩니다.
3. 성장률: 성장률이 낮을수록 결정 품질이 향상됩니다.

5.4 장점 및 단점 분석

장점:

• 정확한 구성과 도핑 관리.
• 고품질 단결정 필름.
• 원자적으로 평평한 표면을 구현할 수 있습니다.

단점:

• 비싼 장비.
• 성장률이 느립니다.
• 고급 운영 기술이 필요합니다.

6. 기타 합성 방법

6.1 화학 기상 증착(CVD)

1. 전구체: 디에틸아연(DEZn) 및 디이소프로필텔루라이드(DIPTe).
2. 반응 온도: 400-500°C.
3. 운반 가스: 고순도 질소 또는 수소.
4. 압력: 대기압 또는 저압(10-100Torr).

6.2 열 증발

1. 원료: 고순도 ZnTe 분말.
2. 진공 레벨: ≤1×10⁻⁴Pa.
3. 증발 온도: 1000-1100°C.
4. 기판 온도: 200-300°C.

7. 결론

텔루르화 아연을 합성하는 다양한 방법이 있으며, 각 방법마다 장단점이 있습니다. 고체 반응은 벌크 재료 제조에 적합하고, 증기 수송은 고품질 단결정을 생성하며, 용액 공정은 나노재료에 이상적이며, MBE는 고품질 박막에 사용됩니다. 실제 응용 분야에서는 고성능 ZnTe 재료를 얻기 위해 공정 매개변수를 엄격하게 제어하면서 요구 사항에 맞는 적절한 방법을 선택해야 합니다. 향후 연구 방향으로는 저온 합성, 형태 제어, 도핑 공정 최적화 등이 있습니다.