Исследование сублимационной очистки компонентов твердых растворов CdTe-ZnTe Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 111.11.11

М.Б. Гришечкин*, А.Н. Можевитина, В.Е. Мешков, А.В. Хомяков, И.Х. Аветисов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: grimb@mail.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ СУБЛИМАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ КОМПОНЕНТОВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ CdTe-ZnTe

Аннотация

Эффективность очистки Cd, Te методом дистилляции и CdZnTe методом сублимации исследована методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Определено влияние режимов массопереноса и материала реактора на конечную концентрацию примесей. Изучено распределение примесей по длине приемника.

Ключевые слова: сублимация, вакуумная дистилляция,

Cd и Те находят широкое применение в производстве полупроводниковых, оптических и фоточувствительных материалов. Твердые растворы Cdl-xZnxTe являются одним из наиболее перспективных материалов для изготовления детекторов ионизирующего излучения, а также производства подложек для эпитаксии ИК-фоточувствительных слоев Hgl-xCdxTe [1]. Функциональные свойства этих материалов определяются, во многом, содержанием посторонних примесей. Наиболее распространенными методами очистки элементарных Cd и Те являются вакуумная дистилляция и зонная плавка [2-4]. Данные об использовании метода вакуумной сублимации для очистки твердых растворов С^^^Те в литературе отсутствуют. В связи с этим целью работы явилось исследовать возможность использования данного метода для получения указанных материалов, а также

очистка, Cd, Те, CdZnTe.

влияние конструкционных материалов на эффективность процесса очистки и изучить распределение примесей в сублимате.

В качестве исходных веществ использовали теллур марки ТА-1, кадмий марки ЧДА и твердый раствор Cdl-xZnxTe ^ = 0^0.1) чистотой 4К Перегонный куб и приемник были изготовлены из особо чистого кварцевого стекла и графита. Для загрузки в кварцевый куб тройной твердый раствор дробили в ступке на куски размером менее 5 мм. Кадмий и теллур наплавляли в куб через воронку с узкой перетяжкой для удаления окислов. Куб и приемник помещали в реактор из особо чистого кварцевого стекла, после чего систему помещали в резистивную двухзонную печь и вакуумировали до остаточного давления не более 1*10-3 мм рт. ст. Параметры проведения процессов для различных материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Условия проведения процессов дистилляции и сублимации

Материал Скорость испарения, г/час Температура куба Температура приемника

CdZnTe 1 150 950 670

CdZnTe 2 150 950 670

CdZnTe 4 150 830 670

Te 200 550 370

Cd 70 400 290

После охлаждения реактора до комнатной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в

температуры приемник извлекали, из сублимата и режимах аналитического определения (Total Quant)

кубового остатка отбирали пробы для определения по 64 элементам, исключая газообразующие, и

примесной частоты. Схема реактора и отбора проб количественного определения элементов по

приведена на рис. 1. Анализ проводили методом масс- соответствующим стандартам.

Выход

Вакуум

ТП 1 " ТП 2

Рис. 1. Схема установки для сублимации. ТП - контрольные термопары; кубовый остаток, вход, середина, выход -

места отбора проб.

В первой серии экспериментов была проведена сублимация тройного твердого раствора CdZnTe с использованием куба и приемника из кварцевого стекла. Результаты определения примесной чистоты образцов этой серии в режиме Total Quant приведены на рисунке 2. По ряду примесей чистота сублимата ниже, чем исходного материала. Это может быть связано с тем фактом, что извлечение сублимата из приемника явилось затруднительным вследствие

неровности кварцевой трубки (в поперечном сечении типичная трубка представляет собой овал, в продольном имеет бочкообразную форму). Также загрязнение может быть связано с пылью из воздуха. Соответственно, было принято решение изготовить куб и приемник из особо чистого графита с последующим нанесением пироуглеродного покрытия.

к s j га о.

я-£ О

а:

1,Е+04 1,Е+02 1,Е+00

1,Е+04 1,Е+02 1,Е+00

1,Е+04 1,Е+02 1.Е+00

CdZnTe исходный 99,9971 масс. %

III

I I

= Bi5i3Puiz

с щ щ . ni; о -с »ел« га ^ м .а .с

N01»«NJ1£<-«UJ1Î0C|1">.ISO»-IIH

■ CdZnTe 1 середина 99,9990 масс. % CdZnTe 1 ВЫХОД 99,9943 масс. %

II III ■

■Л СО » Л Q i= £ Ф

с Ф ш > о л mcj5,"î га с и >• Л t > » с ы л £

I I I

I CdZnTe 2 вход CdZnTe 2 выход

99,9951 масс. %

99,9944 масс. %

m ы> ¡з га с ft ф с ш ш ¿i о .с мел" rai- с -а > ^ > ^ ir gi л г

Рис. 2. Результаты определения примесной чистоты твердого раствора CdZnTe, сублимированного в кварцевой

оснастке.

Куб был выполнен с широкой горловиной, что легко, тем самым уменьшив вероятность загрязнения позволило исключить стадию измельчения исходного при выгрузке. Результаты определения примесной материала. Новый приемник имел коническую чистоты образцов, сублимированных из графитовой

форму. Извлечение сублимата проходило достаточно оснастки, приведены на рис. 3.

S и

и S

I и

tu и

и

О s X о.

В Mg

Fe NI Zn Ge

Zr Mo Rh Ag In

La Pr Sm Gd Dy Er Yb Hf W Os Pt Hg Pb Th

Рис. 3. Результаты определения примесной чистоты твердого раствора CdZnTe, сублимированного в оснастке из особо

чистого графита.

Как и ожидалось, общий уровень примесей стал элементов получена высокая степень очистки (ниже ниже, чем в образцах первой серии. По ряду предела обнаружения).

1,Е-03

л

% 1,Е-05

>5 Ф

| 1,Е-07

s

а.

Cd вход 99,9995 масс. % I Cd исходный 99,9936 масс. %

II

со ав л п> с Л ф 5 с ® <" Л; ¿л о jz мел,1" "J ¡г

I. .

> X

« f ИЛ i О х о. I-

к

я 1.Е-03

а.

к

1.Е-05

I

о

1,Е-07

Cd вход

I Cd середина 99,99919 масс. % I Cd выход 99,99899 масс. %

II,

.il L

_L

I

ш (Jî "ЕЛ <и '-5 с ш и il

х ьв с л » л

Е < - tfl и -I о.

Е S ДГ ¿3 €

<з Q ш > 1

Рис. 4. Результаты определения примесной чистоты элементарного Cd.

» jf № Л £

О I О. I-

В третьей серии экспериментов была предпринята попытка очистки элементарных Cd и Te в графитовой оснастке. Результаты определения примесной чистоты кадмия в режиме Total Quant приведены на рис. 4. Как видно при однократной дистилляции удается повысить примесную чистоту более чем на порядок и получить препарат 5N.

Анализ теллура проводили, ориентируясь на заводские технические условия, согласно которым

было проведено количественное определение 16 примесных элементов с калибровкой по матричным элементам методом добавок (Рис. 5). Ввиду высокой скорости массопереноса мы не достигли существенной очистки теллура, хотя и наблюдали перераспределение отдельных примесей, в основном с малой атомной массой.

1.Е-02

■ «Тесубл. 99,99520 мас.%

| 1.Е-03 _ ■ ■ те исх. 99,99524 мае. %

LLiiliiliiiill

As Al Cd Cu In Mg Ni Pb Se Zn Sb Si Sn Cr Fe V As Ca

Рис. 5. Результаты определения примесной чистоты теллура, сублимированного в оснастке из особо чистого графита,

методом добавок.

Гришечкин Михаил Борисович, инженер кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Мешков Владимир Евгеньевич, инженер кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Можевитина Алена Николаевна, научный сотрудник кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Хомяков Андрей Владимирович, ведущий инженер кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Аветисов Игорь Христофорович, д.х.н., заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. H.J. Scheel, P. Capper. Crystal Growth Technology. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH&Co, 2008. 44

2. Su Ch.-H., Lehoczky S.L., Raghothamachar B., Dudley M. Crystal growth and characterization of CdTe grown by vertical gradient freeze // Materials Science and Engineering. 2008. V. B147. P. 35-42.

3. Mtihlberg M., Rudolph P., Genzel C., Wermke B., Becker U. Crystalline and chemical quality of CdTe and Cd1-xZnxTe grown by the Bridgman method in low temperature gradients // Journal of Crystal Growth. 1990. V. 101. P. 275-280.

4. Ohmori M., Iwase Y., Ohno R. High quality CdTe and its application to radiation detectors // Materials Science and Engineering. 1993. V. B16. P. 283-290.

GrishechkinMikhailBorisovich*, Meshkov Vladimir Evgen'evich, MozhevitinaElena Nikolaevna, Khomyakov Andrew Vladimirovich, Avetissov Igor Christophorovich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: grimb@mail.ru

THE STUDY OF SUBLIMATION PROCESS FOR PURIFICATION OF CdZnTe SOLID SOLUTION AND ITS COMPONENTS

Abstract

The efficiency of Cd and Te vacuum distillation and CdZnTe sublimation was investigated by inductively coupled plasma mass-spectroscopy method. An influence of mass-transfer and reactor materials on the impurity concentration was determined. Impurity's segregation along the container was discussed.

Key words: sublimation, vacuum distillation, purifying, Cd, Te, CdZnTe.