Особо чистый сульфидно-мышьяковый материал для синтеза высокопрозрачных халькогенидных стекол и способ его получения

Заявляемое изобретение относится к области оптического материаловедения и касается разработки особо чистого сульфидно-мышьякового материала, исходного для синтеза халькогенидных стекол системы As-S с высокой прозрачностью в среднем ИК-диапазоне. Сульфидно-мышьяковый материал содержит компоненты при следующем соотношении, ат.%: мышьяк - 51÷53, сера - 49÷47. Способ получения высокочистого материала включает сплавление элементарных мышьяка и серы в соотношении 51÷53:49÷47 ат.% соответственно при температуре не выше 450°С в присутствии паров сероуглерода, после чего полученный расплав подвергают глубокой очистке вакуумной дистилляцией со скоростью испарения (1-5·10-4 г/см2·сек). Изобретение позволяет получать особо чистый сульфидно-мышьяковый материал с содержанием примеси кислорода на уровне (1-2)10-7 мас.%. Выход продукта при его очистке составляет 99,0-99,5%. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

 

Заявляемое изобретение относится к области оптического материаловедения и касается разработки особо чистого сульфидно-мышьякового материала, исходного для синтеза халькогенидных стекол системы As-S с высокой прозрачностью в среднем ИК-диапазоне.

В традиционных способах получения халькогенидных стекол исходными веществами служат элементы - макрокомпоненты стекла как компоненты шихты, плавлением которой синтезируют стеклообразующий расплав требуемого состава (см., например, Борисова З.У. - Химия стеклообразующих полупроводников. Изд-во ЛГУ, 1972, 246 с.).

Взвешивание исходных элементов даже в защитной атмосфере, последующее их измельчение и загрузка в реактор синтеза приводят к появлению на поверхности мышьяка и серы оксидов и воды. Полное их удаление при вакуумировании реактора не достигается.

Известны решения, направленные на повышение степени чистоты стекол, полученных сплавлением элементов. Это проведение загрузки мышьяка и серы в реактор вакуумной сублимацией и дистилляцией (M.F.Churbanov, J.N.C.S., 140 (1992), 324-330) и использование в качестве источника мышьяка моносульфида мышьяка, более устойчивого к окислению и более летучего по сравнению с элементарным мышьяком, предварительно очищенного вакуумной дистилляцией с удельной скоростью испарения (0,8-1,0)10-3 г/см2с (Патент РФ 1721997, МКИ С03В 37/023, заявл. 02.04.1990), взятый в качестве прототипа. Исходя из состава получаемого стекла, в исходную шихту добавляют остальные компоненты, учитывая количество используемого моносульфида мышьяка.

При очистке моносульфида мышьяка вакуумной дистилляцией при постоянной температуре в очищаемом расплаве имеет место образование и накопление труднолетучего As4S6. После отгонки моносульфида мышьяка в кубе остается стеклообразный As4S6 в количестве 15-25 мас.% от исходной загрузки, что снижает выход целевого продукта. При подготовке аппаратуры к очередному циклу очистки требуется удаление труднолетучего As4S6. Эта операция при очистке аппаратуры повышает трудоемкость способа в целом. Очистка моносульфида мышьяка вакуумной дистилляцией, используемая в прототипе, позволяет получить материал с низким содержанием труднолетучих примесей, прежде всего в форме гетерофазных примесных включений. Вакуумная дистилляция не обеспечивает полного освобождения целевого продукта от примесей, летучесть которых превышает или соизмерима с летучестью основного компонента (примеси кислорода, химически связанные с мышьяком). В условиях практически полной конденсации паров, необходимой для обеспечения высокого выхода целевого продукта, примесный кислород в виде кислородсодержащих веществ в значительной мере переходит в конденсат, т.е. в целевой продукт. Содержание кислорода, химически связанного с мышьяком, по данным ИК-спектроскопии полученных стекол может быть достаточно высоким (10-4 мас.%) и существенно влиять на прозрачность световодов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка особо чистого сульфидно-мышьякового материала с низким содержанием примеси кислорода и способа его изготовления, направленного на повышение выхода продукта, уменьшение трудоемкости при подготовке аппаратуры к очередному циклу получения материала.

Поставленная задача решается за счет того, что используется сульфидно-мышьяковый материал со следующим соотношением компонентов, ат.%:

мышьяк - 51÷53;

сера - 49÷47.

Задача достижения высокой степени чистоты материала решается также за счет того, что сплавление исходных мышьяка и серы в соотношении 51÷53:49÷47 ат.% соответственно при температуре не выше 450°С ведется в присутствии паров сероуглерода, после чего полученный расплав подвергают глубокой очистке вакуумной дистилляцией со скоростью испарения 1-5·10-4 г/см2·сек.

Новым в заявляемом решении является материал, содержащий мышьяк и серу при соотношении компонентов 51÷53:49÷47 ат.% соответственно. Указанное соотношение компонентов было подобрано опытным путем и, как показали эксперименты, является оптимальным для очистки полученного расплава вакуумной дистилляцией с точки зрения выхода целевого продукта и снижения трудоемкости подготовки аппаратуры к повторному циклу получения продукта.

При вакуумной дистилляции расплав с указанным соотношением мышьяка и серы перегоняется при постоянной температуре без образования труднолетучего остатка, обеспечивая выход целевого продукта не ниже 99,0-99,5% от исходной загрузки с сохранением начального макросостава.

При содержании мышьяка менее 51 ат.% в кубовой емкости образуется стеклообразная фаза, состоящая из 40-42% ат. мышьяка, наличие которой снижает выход целевого продукта при вакуумной дистилляции. При этом удаление упомянутого осадка так же трудно, как и удаление стеклообразного As4S6 при перегонке моносульфида мышьяка, описанного в прототипе. При содержании мышьяка в исходном материале более 53 ат.% в кубовой емкости образуется осадок, состоящий из элементарного мышьяка, наличие которого также снижает выход целевого продукта при вакуумной дистилляции. Его удаление не менее затруднительно, чем удаление стеклообразного осадка As4S6 при перегонке моносульфида мышьяка, описанного в прототипе.

Новым признаком является то, что сплавление мышьяка и серы в указанном соотношении ведут при температуре не выше 450°С в присутствии паров сероуглерода, который обеспечивает перевод примеси кислорода из химически связанного с мышьяком состояния в легкоотделяемый диоксид углерода, освобождение от которого происходит при очистке полученного расплава вакуумной дистилляцией, при этом в интервале скоростей 1-5·10-4 г/см2·сек упомянутая очистка обеспечивает приемлемые производительность процесса и чистоту продукта по примесям, прежде всего в форме гетерофазных примесных включений при максимально возможном выходе продукта 99,5%.

Сплавление сульфидно-мышьякового материала при температуре не выше 450°С позволяет вести процесс в условиях безопасной работы. При более высокой температуре из-за резкого повышения давления паров серы возникают трудности проведения процесса в условиях безопасной работы.

Содержание примеси кислорода в полученном сульфидно-мышьяковом материале по данным ИК-спектроскопии полученных стекол из упомянутого материала и световодов на их основе составляет (1-2)10-7 мас.%, что на 2 порядка ниже, чем в моносульфиде мышьяка согласно прототипу. Выход продукта при его очистке составляет 99,0-99,5% от исходной загрузки с сохранением начального макросостава, в то время как в прототипе выход моносульфида мышьяка после очистки составляет 75-85%.

Упомянутые признаки являются существенными, т.к. каждый из них необходим, а вместе они достаточны для решения поставленной задачи - разработка особо чистого сульфидно-мышьякового материала с достаточно низким содержанием примеси кислорода (в сравнении с прототипом ~ в 100 раз) и метода его получения с высоким выходом целевого продукта (99,0-99,5% от исходной загрузки) и с низкой трудоемкостью при подготовке аппаратуры к очередному циклу получения материала.

Пример 1

В кварцевый реактор загружают мышьяк и серу в соотношении 51,2:48,8% ат. соответственно. Реактор вакуумируют до остаточного давления 2·10-6 мм рт.ст. и через байпасную линию напускают пары сероуглерода Р20С=300 мм рт.ст., после чего байпасную линию отпаивают от системы вакуумирования и напуска газа. Реактор разогревают до температуры 450°С и проводят синтез сульфидно-мышьякового материала в атмосфере сероуглерода. По окончании синтеза кварцевый реактор присоединяют через трубку со стеклянной перегородкой к системе дистилляции и расфасовки. Всю систему вакуумируют, разбивают стеклянную перегородку и синтезированный сульфидно-мышьяковый материал перегоняют со скоростью 5·10-4 г/см2·сек в расфасовочную емкость.

Выход целевого продукта составляет 99,2%, состав сульфидно-мышьякового продукта по данным рентгенофлуоресцентного анализа составляет для мышьяка 51,3±0,3 ат.%, для серы 48,7±0,4 ат.%.

Из полученного материала были изготовлены стекла для сердцевины и оболочки, из которых методом двойного тигля изготовили волоконный световод.

Содержание примеси кислорода в полученном стекле по данным ИК- спектроскопии световода составляет 2·10-7 мас.%.

Пример 2

В кварцевый реактор загружают мышьяк и серу в соотношении 53:47 ат.% соответственно. Реактор вакуумируют до остаточного давления 2·10-6 мм рт.ст. и через байпасную линию напускают пары сероуглерода Р20С=300 мм рт.ст., после чего байпасную линию отпаивают от системы вакуумирования и напуска газа. Реактор разогревают до температуры 450°С и проводят синтез сульфидно-мышьякового материала в атмосфере сероуглерода. По окончании синтеза кварцевый реактор присоединяют через стеклянную трубку с перегородкой к системе дистилляции и расфасовки. Всю систему вакуумируют, разбивают стеклянную перегородку и синтезированный сульфидно-мышьяковый материал перегоняют со скоростью 1,5·10-4 г/см2·сек в расфасовочную емкость.

Выход целевого продукта составляет 99,5%, состав сульфидно-мышьякового продукта по данным рентгенофлуоресцентного анализа составляет для мышьяка 53,2±0,6 ат.%, для серы 46,8±0,8 ат.%. Из полученного материала изготовлены стекла для сердцевины и оболочки с последующим вытягиванием из них волоконного световода.

Содержание примеси кислорода в полученном световоде по данным ИК-спектроскопии составляет 1,3·10-7 мас.%.

1. Сульфидно-мышьяковый материал для синтеза высокопрозрачных халькогенидных стекол, отличающийся тем, что материал содержит мышьяк и серу в следующем соотношении, ат.%:

мышьяк 51÷53
сера 49÷47

2. Способ получения особо чистого сульфидно-мышьякового материала с последующей его глубокой очисткой вакуумной дистилляцией с малой скоростью испарения, отличающийся тем, что упомянутый материал получают сплавлением элементарных мышьяка и серы в соотношении 51÷53:49÷47 ат.% соответственно при температуре не выше 450°С в присутствии паров сероуглерода, а вакуумную дистилляцию ведут со скоростью испарения (1÷5)10-4 г/см2·с.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способам синтеза стекол AsxS1-x(х = 0,10-0,45), AsxSe1-x (х = 0-0,60) и может быть использовано в различных областях электронной техники, волоконной оптики, электронографии.

Стекло // 2097347

Изобретение относится к стеклам, прозрачным в ИК-области спектра, которые могут быть использованы в качестве материалов для оболочки световодов. .

Изобретение относится к созданию материалов для изделий конструкционной оптики. .

Изобретение относится к созданию ИК-прозрачных материалов для изделий конструкционной оптики. .

Изобретение относится к составам стекол, применяемым для изготовления светофильтров, прозрачных в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. .
Изобретение относится к волоконной оптике и касается разработки способа получения халькогенидных стекол системы As-S с низким содержанием примеси кислорода в виде гидроксильных групп, молекулярной воды, диоксида углерода и может быть использовано для получения волоконных световодов, применяемых в оптике и приборах для ближнего и среднего ИК-диапазона.
Изобретение относится к составам халькогенидных стекол, используемых в приборостроении. .
Изобретение относится к составам халькогенидных стекол, используемых в приборостроении. .
Изобретение относится к составам халькогенидных стекол, используемых в микроэлектронике. .
Изобретение относится к составам халькогенидных стекол, используемых для защиты и изоляции полупроводниковых приборов и интегральных схем. .

Изобретение относится к оптическим фторидным стеклам, прозрачным в ИК-области спектра, используемым в качестве перспективных материалов для ИК-оптики: ИК-пропускающие сердцевины оптических волокон, элементы оптических устройств, рабочих тел лазеров в различных оптических усилителях, планарных волноводах и в светотрансформирующих устройствах.

Изобретение относится к теллургалогенидным стеклам, прозрачным в инфракрасной области спектра. .
Изобретение относится к волоконной оптике и касается разработки способа получения сульфидно-мышьяковых стекол для сердцевины и оболочки одномодовых и малоапертурных многомодовых световодов, используемых в оптике и приборах для ближнего и среднего ИК-диапазона.

Изобретение относится к составам халькогенидных стекол, используемых преимущественно в оптоэлектронике. .
Изобретение относится к области химии и может быть использовано для синтеза стекол GexS1-x(X= 0,1-0,5) особой чистоты. .
Изобретение относится к материалам для волоконной оптики и касается разработки способа получения особо чистых тугоплавких халькойодидных стекол, которые могут быть использованы для изготовления волоконных световодов, применяемых в оптике и оптоэлектронных приборах для ближнего и среднего ИК-диапазона

Особо чистый сульфидно-мышьяковый материал для синтеза высокопрозрачных халькогенидных стекол и способ его получения

Наверх