Способ получения объемного теллурида кадмия прессованием
Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов, и может быть использовано в технологии полупроводников, в том числе, для создания детекторов ионизирующих излучений.
Сущность изобретения: нанопорошок теллурида кадмия со средним размером частиц 7-10 нм загружают в пресс-форму и помещают в камеру пресса. Образец нагружают до давления 600-650 МПа при температурах 20-25°С, а затем выдерживают под давлением в течение 10-30 минут. Получают объемный материал, обладающий высокой механической твердостью, составляющей 1200 МПа, что превышает твердость полученных известными способами кристаллов CdTe не менее чем в 2.5 раза. 1 табл.
Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов на основе теллурида кадмия и может использоваться для получения объемного материала высокой плотности и механической твердости, изготавливаемого из нано-порошка, для заготовок и изделий, в частности детекторов ионизирующих излучений.
Механическая твердость является эксплуатационной характеристикой материалов, работающих в области физики высоких энергий. Это свойство важно при создании полупроводниковых приборов, а именно при закреплении изделий в обоймы (оправки) и при нанесении контактов. У CdTe, полученного известными способами, твердость низкая - на уровне 380-440 МПа.
Известен способ получения объемного кристаллического теллурида кадмия выращиванием из расплава [Н. J. von Bardeleben, Т. Arnoux, С. Launay. Intrinsic Defects in Photorefractive Bulk CdTe and ZnCdTe. Journal of Crystal Growth, 1999, v.197, pp. 718-723] - аналог. Этот метод позволяет получить монокристаллы, механическая твердость которых невысока: микротвердость по Виккерсу (измеренная на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине) составляет 435 МПа.
Известен способ выращивания объемных кристаллов теллурида кадмия из паровой фазы вне контакта со стенками ампулы [Кпинкова Л.А., Ганович Н.И., Колесникова О.С. Структурные несовершенства кристаллов CdTe, выращенных из паровой фазы вне контакта со стенками ампулы. Неорганические материалы, 1988, т. 24, №8, с.1264-1269]. Этот способ получения теллурида кадмия имеет тот же недостаток, что и предыдущий, а именно низкую микротвердость CdTe - на уровне 420 МПа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения селенида цинка [Сп. В. Willingham, J. Pappis. Optical Element, Especially of Zinc Sulphide or Selenide, Having Improved Optical Quality. UK Patent Application No GB 2090237 A, 1982] - прототип. Способ включает горячее изостатическое прессование при температурах в диапазоне 700-1050°С и давлениях 34-205 МПа кристаллов ZnSe, полученных методом химического осаждения из газовой фазы. Сравнение способов получения теллурида кадмия и селенида цинка оправдано, поскольку оба они относятся к ряду соединений АIIBVI, и их физико-химические свойства весьма близки между собой [N.N.Kolesnikov, R.В.James, N.S.Berzigiarova, M.P.Kulakov. HPVB and HPVZM Shaped Growth of CdZnTe, CdSe and ZnSe Crystals. Proceedings of SPIE: X-Ray and Gamma-Ray Detectors and Applications IV, Editors: R.B.James, L.A.Frank, A.Burger, E.M.Westbrook, R.D.Durst, 2002, v. 4784, pp. 93-104]. Микротвердость ZnSe составляет 720 МПа. Горячее изостатическое прессование повышает плотность материала и частично предотвращает образование пор, тем самым позволяя улучшить некоторые оптические характеристики, например пропускание света в инфракрасном диапазоне. К недостаткам этого способа относится высокая стоимость изготовления и эксплуатации высокотемпературных газостатов. Кроме того, соединения АIIBVI, к которым относятся CdTe и ZnSe, частично разлагаются на компоненты при температурах 300°С и выше, что вызывает нарушение стехиометрии этих веществ. Поэтому прессование таких материалов при высоких температурах нежелательно, т.к. контроль химического состава усложняет процесс и повышает стоимость получения материала. Прессование соединений АIIBVI на воздухе при температурах 300°С и выше невозможно, т.к. эти вещества в таких условиях окисляются кислородом воздуха. Кроме того, изостатическое прессование материалов АIIBVI ведется в течение 3 часов и более, что также повышает стоимость и снижает производительность процесса. Помимо этого при обработке материалов давлением при повышенных температурах могут происходить процессы динамического отдыха и рекристаллизации, что приводит к снижению механической твердости за счет роста зерен и уменьшения внутренних напряжений.
Таким образом, известные способы получения кристаллов типа АIIBVI не позволяют получать объемный теллурид кадмия с высокой механической твердостью.
Поскольку теллурид кадмия предназначен, в частности, для использования в детекторах ионизирующих излучений, одной из его рабочих характеристик является механическая твердость, высокие значения которой важны при нанесении контактов и при закреплении изделий в обоймы (оправки).
Задачей данного изобретения является получение объемного теллурида кадмия, обладающего высокой механической твердостью.
Эта задача решается в предлагаемом способе получения объемного теллурида кадмия путем прессования нано-кристаллического порошка с размерами частиц 7-10 нм при температурах от +20 до +25°С на воздухе, при давлении прессования 600-650 МПа, в течение 10-30 минут.
Нижняя граница интервала размера частиц определяется экономическими соображениями, поскольку при дальнейшем уменьшении размера частиц контроль однородности и качества нано-порошка потребовал бы применения более дорогостоящей техники - электронной микроскопии высокого разрешения.
При увеличении размера частиц за пределами указанного интервала твердость снижается (см. таблицу), предположительно, за счет снижения способности материала к уплотнению при прессовании.
Интервал давлений, при которых происходит прессование, оптимален для достижения высоких показателей твердости CdTe. При более низких давлениях показатели твердости уменьшаются, а прессование при давлении выше верхнего значения из данного интервала не приводит к повышению твердости выше достигнутого значения.
Выбор комнатной температуры прессования обусловлен тем, что при повышенных температурах могут происходить процессы динамического отдыха и рекристаллизации. Помимо этого горячее прессование требует дополнительных затрат на оборудование, но не ведет к заметному увеличению твердости (как это видно из таблицы). Кроме того, следует учесть, что CdTe частично разлагается на компоненты при температурах 300°С и выше. Таким образом, прессование керамики из нано-порошка CdTe при высоких температурах нецелесообразно.
Прессование ведется в пресс-форме с применением одного пуансона. При этом в данном способе прессования не используются пластификаторы и смазки. Такой процесс является простым и экономичным, кроме того, отсутствие пластификаторов и смазки предотвращает загрязнение полученного материала инородными примесями.
Выбор интервала времени прессования является оптимальным для достижения высокой твердости по всему объему материала. Как видно из таблицы, выдержка теллурида кадмия в течение не менее 10 мин под нагрузкой необходима для достижения однородности структуры и свойств по сечению и объему материала. С другой стороны, увеличение времени выдержки свыше 30 мин нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему повышению твердости.
Предложенный способ позволяет получить объемный теллурид кадмия стехиометрического состава (по данным проведенного рентгеновского микроанализа), плотность которого равна 5.44 г/см3, что составляет 93% рентгеновской плотности CdTe. Микротвердость по Виккерсу полученного таким способом теллурида кадмия в среднем составляет 1200 МПа, что в 2,5 раза превышает микротвердость кристаллов, изготовленных известными способами.
Пример
Нано-порошок теллурида кадмия со средним размером частиц 8 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 600 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 20 минут. После снятия нагрузки полученный образец диаметром 10 мм и высотой 3 мм извлекали и измеряли его микротвердость на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине. Микротвердость составляла 1150 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.
| Таблица | ||||||
| № | Давление прессования, МПа | Время прессования, мин | T, °с | Диаметр частиц CdTe, нм | Твердость полученного материала, МПа | Примечания |
| 1 | 570 | 10 | 25 | 7-10 | 900 | все сечение |
| 2 | 600 | 10 | 25 | 7-10 | 1100 | все сечение |
| 3 | 650 | 10 | 25 | 7-10 | 1100 | все сечение |
| 4 | 670 | 10 | 25 | 7-10 | 1100 | все сечение |
| 5 | 600 | 10 | 25 | 40 | 970 | все сечение |
| 6 | 600 | 10 | 25 | 300 | 590 | все сечение |
| 7 | 600 | 5 | 25 | 7-10 | 920 | край образца |
| 8 | 600 | 5 | 25 | 7-10 | 1000 | центр образца |
| 9 | 600 | 30 | 25 | 7-10 | 1400 | все сечение |
| 10 | 600 | 45 | 25 | 7-10 | 1400 | все сечение |
| 11 | 600 | 60 | 200 | 7-10 | 1400 | все сечение |
Способ получения объемного теллурида кадмия прессованием, отличающийся тем, что прессованию подвергают нанокристаллический порошок теллурида кадмия с размерами частиц 7-10 нм при температуре от 20 до 25°С, на воздухе, при давлении прессования 600-650 МПа в течение 10-30 мин.
