Способ получения поликристаллического селенида цинка

Изобретение относится к ИК-оптике и касается разработки способа получения массивных (толщиной более 20 мм) образцов селенида цинка, используемых в качестве пассивных оптических элементов высокомощных CO₂-лазеров и других приборов, работающих в ИК-диапазоне длин волн. Способ включает подачу паров селеноводорода и цинка потоком аргона к нагретым до 650-750°С подложкам и осаждением на них селенида цинка при общем давлении в системе 0,5-1,3 кПа, эквимолярных расходах цинка и селеноводорода 0,4-0,47 л/мин, аргона - 3-4 л/мин, при этом на протяжении всего времени осаждения селенида цинка температуру подложек повышают со скоростью 0,1-0,15 град/час. Селенид цинка, полученный предлагаемым способом, имеет размер зерна 30-80 мкм и характеризуется поглощением на длине волны СО₂-лазера не выше 5·10^-4 см^-1. 1 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к ИК-оптике и касается разработки способа получения массивных (толщиной более 20 мм) образцов селенида цинка, используемого в качестве пассивных оптических элементов высокомощных СО₂-лазеров и других приборов, работающих в ИК-диапазоне длин волн.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка и селеноводорода в потоке аргона в реакционную зону при общем давлении в системе 0,5-1,3 кПа к нагретым до 650-750 С подложкам, выполненным из стеклоуглерода, включающий нанесение промежуточного и основного слоев при концентрации исходных реагентов соответственно 40-50 ммоль/м³ и 20-26 ммоль/м³ (см. патент РФ №2046843, опубл. 27.10.95, С 30 В 25/02).

Упомянутый способ пригоден для получения слоев селенида цинка толщиной до 10 мм. При получении образцов толщиной более 10 мм появляются неоднородности оптических и механических свойств в направлении роста. Оптические неоднородности наблюдаются визуально как изменение окраски слоев материала в направлении от подложки к поверхности роста, механические - проявляются в изменении размеров зерна в направлении роста и, как следствие, уменьшении твердости и прочности получаемых образцов.

Указанные изменения свойств происходят из-за уменьшения температуры поверхности слоя селенида цинка, осаждаемого из газовой фазы. Эта температура зависит от температуры нагревателя (подвод тепла), от количества подаваемых газообразных веществ в реактор (теплоунос) и от теплопроводности слоя селенида цинка. При увеличении толщины слоя селенида цинка его теплопроводность уменьшается, что приводит к уменьшению температуры осаждаемого слоя.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение массивных (толщиной более 20 мм) слоев селенида цинка с постоянными оптическими и механическими характеристиками по толщине образца.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения поликристаллического селенида цинка, включающем подачу паров цинка и селеноводорода при эквимолярном соотношении потоком аргона к нагретым до 650-750°С с нанесенным промежуточным слоем подложкам при давлении в реакционной зоне 0,5-1,3 кПа, согласно изобретению, осаждение ведут при расходах цинка и селеноводорода 0,4-0,47 л/мин, аргона 3-4 л/мин, а температуру подложек повышают со скоростью 0,1-0,15 град/час на протяжении всего времени осаждения селенида цинка.

Для удешевления способа целесообразно использовать подложки из графита с нанесенным промежуточным слоем из графитового порошка. Такая подложка не обладает адгезией к селениду цинка, который от нее легко отделяется. Кроме того, дефекты, вызванные включениями графитового порошка, наблюдаются в слое материала не более 0,2-0,3 мм от подложки, что для массивных слоев составляет не более 1,0% толщины образца. При получении массивных (толщиной более 20 мм) слоев селенида цинка технически трудно, хотя и возможно, нанести промежуточный слой известным способом (см. патент РФ №2046843) из-за тепловой инерции больших объемов цинка, используемых при синтезе.

Новыми и существенными признаками в заявляемом способе являются расходы исходных реагентов в интервале 0,4-0,47 л/мин, расход аргона 3-4 л/мин и скорость повышения температуры подложек в интервале 0,1-0,15 град/час на протяжении всего времени синтеза селенида цинка.

Упомянутые режимы были подобраны экспериментальным путем и, как показали опыты, являются оптимальными для решения поставленной задачи. При расходах реагентов в указанных интервалах обеспечивается необходимая скорость роста селенида цинка 50-70 мкм/час, что обеспечивает достаточно высокие производительность процесса и качество материала. При расходах реагентов ниже указанных интервалов скорость роста мала и процесс получения массивных образцов не эффективен, кроме того, в объеме селенида цинка образуются крупные поры размером более 70-100 мкм, а при расходах выше - начинается гомогенная кристаллизация, приводящая к образованию включений порошкообразной фазы селенида цинка в объеме образца.

Изменение температуры подложек на протяжении всего времени осаждения должно соответствовать скорости роста селенида цинка. Указанный интервал повышения температуры подложек обеспечивает постоянство температуры поверхности растущего слоя селенида цинка вне зависимости от его толщины в течение всего времени синтеза, что приводит к постоянству оптических и механических свойств по всей толщине образца.

При повышении температуры подложек со скоростью менее 0,1°С/час понижается температура на поверхности растущего слоя селенида цинка, что приводит к потемнению окраски, уменьшению размера зерна, появлению мути за счет образования пор субмикронных размеров. Повышение температуры подложек со скоростью более 0,15°С/час увеличивает температуру поверхности, что вызывает рост зерна, появление дефектов в объеме материала размерами более 70 мкм. Таким образом, упомянутые отличительные признаки являются существенными, т.к. каждый из них необходим, а вместе они достаточны для решения поставленной задачи - получение массивных, толщиной более 20 мм слоев ZnSe с однородными по толщине оптическими и механическими свойствами.

Пример.

В вертикальный проточный реактор при давлении 1 кПа к нагретым до 700°С графитовым подложкам, на которые нанесен промежуточный слой из графитового порошка подают аргоном с общим потоком 3,7 л/мин эквимолярную смесь селеноводорода и паров цинка с расходами 0,45 л/мин. В результате реакции между парами цинка и селеноводорода на подложках осаждается слой селенида цинка со скоростью 55 мкм/час. За все время синтеза вырастает слой селенида цинка толщиной 26 мм, при этом каждый час увеличивают температуру подложек на 0,12°С. Размер зерна по толщине слоя составляет 30-80 мкм, окраска слоя равномерная, в нем отсутствуют визуально наблюдаемые поры. Поглощение на длине волны 10,6 мкм не превышает 5х10^-4 см^-1. Материал отвечает требованиям, предъявляемым к селениду цинка, используемом в качестве пассивных элементов высокомощных СО₂-лазеров.

1. Способ получения поликристаллического селенида цинка, включающий подачу паров цинка и селеноводорода при эквимолярном соотношении потоком аргона, к нагретым до 650-750°С с нанесенным промежуточным слоем подложкам, при давлении в реакционной зоне 0.5-1.3 кПа, отличающийся тем, что осаждение ведут при расходах цинка и селеноводорода 0.4-0.47 л/мин, аргона 3-4 л/мин и повышении температуры подложек со скоростью 0,1-0,15 град/ч на протяжении всего времени осаждения селенида цинка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложки используют из графита с промежуточным слоем из графитового порошка.