Способ получения поликристаллических блоков или пленочных покрытий на основе сульфида цинка

 

Использование: для изготовления оптической керамики прозрачной в области спектра от 1 до 12 мкм. Сущность изобретения: получение поликристаллических блоков или пленочных покрытий осуществляют вакуумной сублимацией на подложку, причем осаждение ведут из смеси сильфида цинка и галлия с концентрацией последнего от 2 до 10 вес.% при температуре не менее 850^oC. Изобретение решает задачу получения поликристаллического материала на основе халькогенидов цинка, имеющего повышенную эрозионную стойкость. 2 табл.

Изобретение относится к области технологии получения халькогенидов, в частности сульфида цинка, а также селенида цинка с покрытием из сульфида цинка, пригодных для изготовления оптической керамики (ОК) прозрачной в области спектра от 1 до 12 мкм.

Известен способ получения поликристаллических блоков для ОК из халькогенидов цинка и кадмия методом высокотемпературной вакуумной сублимации исходного порошка халькогенида [1] Метод заключается в испарении исходного порошка халькогенида цинка или кадмия, помещенного на дно устройства для сублимации. Образующиеся при нагреве пары халькогенида, проходя стадию очистки, осаждаются на более холодную крышку устройства, служащую подложкой. При этом вырастает поликристаллический слой (блок), имеющий плотность, близкую к плотности монокристалла соответствующего соединения.

Такие блоки после механической обработки имеют хорошую прозрачность в области от видимой до инфракрасной и используются в качестве оптического материала. Оптические изделия из поликристаллического селенида цинка, полученные этим способом обладают хорошим пропусканием в области от 0,5 до 20 мкм и используются при изготовлении окон для ИК-приборов.

Существенным недостатком этого материала является низкая эрозионная стойкость, определяющаяся небольшой поверхностной твердостью (130 кг/мм² по Кнупу).

Зарубежные фирмы получают оптические изделия из халькогенидовметодом CVD, т.е. методом парофазного осаждения [2] При этом способе пары халькогена и металла, получаемые испарением исходных компонентов по отдельности, смешиваются в определенных соотношениях и осаждаются на нагретую подложку. Таким образом получают более эрозионно устойчивые материалы из сульфида цинка, а также двухслойные материалы ZnSe-ZnS с твердостью до 250 кг/мм².

Однако, этот способ, по сравнению с описанным в [1] очень сложен в аппаратурном оформлении, кроме того непрерывный процесс получения блока длится несколько недель, т.к. скорость роста халькогенида очень мала.

Задачей изобретения является разработка способа получения поликристаллического материала на основе халькогенидов цинка, имеющего повышенную эрозионную стойкость.

наиболее близким техническим решением к заявленному является способ получения поликристаллических блоков халькогенидов цинка методом вакуумной сублимации [1] Этот метод был нами использован как для получения блоков из сульфида цинка, так и для выращивания пленочных покрытий из сульфида цинка на готовые оптические изделия из селенида цинка.

Поставленная задача достигается введением в сульфид цинка примеси галлия. Для этого галлий (или его соединения) вносится в исходный сульфид цинка в концентрации от 2 до 10% вес.

В процессе испарения халькогенида (сублимации) галлий переносится вместе с парами сульфида цинка, и осаждаясь на подложке, образует твердый раствор ZnS·Ga. Примесь галлия в решетке поликристаллического сульфида цинка вызывает увеличение твердости (эрозионной стойкости) оптического материала по сравнению с нелегированным сульфидом цинка.

Зависимость твердости получаемого продукта от исходной концентрации галлия показана в таблицах 1 и 2.

Пример 1. Получение поликристаллических блоков из сульфида цинка, легированных галлием.

Исходную смесь порошкообразного сульфида цинка с примесью галлия (2% вес) помещают в специальный контейнер из пирографита ⊘80 мм, закрывают крышкой и помещают в камеру высокотемпературной вакуумной печи. Камеру откачивают до давления 10^-2 мм рт.ст. и разогревают так, что дно контейнера (испаритель) имеет температуру 1000^oC, а крышка (подложка) температуре 900^oC. Процесс ведут в динамическом вакууме в течение 40 часов.

на крышке контейнера, служащей подложкой для осаждения, вырастает поликристаллический блок сульфида цинка толщиной до 30 мм, легированный галлием. Блок имеет плотность, близкую к теоретической. Твердость такого материала, измеренная микротвердомером составляет 400 кг/мм²; в то время, как у нелегированного сульфида цинка она равна 300 кг/мм².

Пример 2. Осаждение пленочного покрытия из сульфида цинка, легированного галлием на оптические изделия из селенида цинка.

Исходит изделие из селенида цинка с полированной поверхностью помещают в описанный в пр.1 контейнер, так, чтобы эта поверхность служила подложкой для осаждения слоя сульфида цинка. Смесь порошкообразного сульфида цинка с галлием (5% вес) помещают в нижнюю часть контейнера. Камеру вакуумной печи с контейнером откачивают до давления 10^-2 мм рт.ст. и разогревают так, чтобы крышка имела температуру 850^oC, а дно 950^oC.

Процесс ведут в динамическом вакууме в течение 10 часов. В результате на поверхности изделия из селенида цинка осаждается плотный слой сульфида цинка толщиной до 0,2 мм, имеющий твердость около 300 кг/мм².

таким образом, из приведенных примеров видно, что происходит значительное увеличение твердости сульфида цинка, полученного методом вакуумной сублимации из смеси сульфида цинка и галлия, что улучшает эрозионные свойства изготовляемых из него оптических элементов, по сравнению с применяемым сейчас селенидом цинка.

Формула изобретения

1 Способ получения поликристаллических блоков или пленочных покрытий на основе сульфида цинка путем вакуумного испарения исходного порошка и осаждения на нагретую подложку, отличающийся тем, что исходный порошок сульфида цинка содержит 2 10% галлия и осаждение ведут на подложку, нагретую до температуры не менее 850ºС.

РИСУНКИ

Рисунок 1