СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА
METHOD OF OBTAINING OPTIC POLYCRYSTALLINE MATERIALS BASED ON ZINC SELENIDE

Изобретение относится к области технологии материалов для оптоэлектроники конструкционной оптики, а именно к способу получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка.
Предлагаемый способ может быть использован для изготовления оптических элементов ИК-техники, которые используются в различных отраслях промышленности.
-2
Известен способ получения ОПМ на основе ZnSe методом вакуумной сублимации при температуре испарения 1000°С и давлении 10 мм рт.ст., с фильтрацией паров через пористый материал и температурах конденсации 600-900°С со скоростью ~0,54 мм/ч (А.с. СССР №844609, кл. C04B 35/00, 1979).
Полученный таким образом ОПМ на основе ZnSe обладает спектральным пропусканием 65-70% в ИК-области спектра на длине волны 10 мкм при толщине образца 5 мм. Плотность образцов составляет 99,5-99,9% от теоретической.
Недостатком данного способа является высокое значение коэффициента поглощения в ИК-области спектра на рабочей длине волны.
-3
Известен способ получения ОПМ на основе ZnSe из паровой фазы, путем помещения исходного порошкообразного селенида цинка в реактор, вакуумирования до 5-10 Па, нагрева зоны испарения реактора до 940-980°С, пропускания паров ZnSe через фильтр с последующим их осаждением на подложку, имеющую температуру на 70°С ниже температуры испарения. Осаждение осуществляют со скоростью 0,4-0,8 мм/ч в течение времени, необходимого для достижения требуемой толщины заготовки. Далее реактор с заготовкой охлаждают до комнатной температуры со скоростью 20-25°С/ч (АС СССР №1617853, кл. C04B 35/00, 1987).
С целью увеличения светопропускания в области 8-12 мкм, прошедший механическую обработку образец дополнительно подвергают термообработке путем нагрева в вакууме, в инертной или восстановительной среде при температуре 700-900°С в течение 6-20 ч. Величина спектрального пропускания в области 8-12 мкм составляет 68-71%.
Однако известный способ обладает рядом недостатков, а именно
- трудоемкость и продолжительность процесса,
- недостаточно низкая величина коэффициента поглощения на длине волны 10,6 мкм.
-5
-4
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, включающий помещение исходного сырья в реактор, вакуумирование до давления 10-10 мм рт.ст., нагрев зоны испарения реактора до температуры испарения, пропускания паров селенида цинка через фильтр, осаждение паров селенида цинка на нагретую подложку, последующее охлаждение реактора с заготовкой до комнатной температуры (см. патент РФ 2019586 по кл. C30B 23/00, 1992 г.).
-3
В известном способе в качестве исходного материала используют селенид цинка, содержащий кремний в количестве (2-6)×10 мас.%.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая прозрачность в ИК-области спектра.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание способа получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, позволяющего снизить величину коэффициента поглощения ОПМ на длине волны 10,6 мкм и трудоемкость процесса осаждения ZnSe.
-5
-4
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, включающего подготовку шихты на основе селенида цинка, помещение ее в реактор, вакуумирование до давления 10-10 мм рт.ст., нагрев зоны испарения реактора до температуры испарения, пропускания паров ZnSe через фильтр с последующим их осаждением на подложку, имеющую температуру ниже температуры испарения и последующее охлаждение реактора с заготовкой до комнатной температуры, в котором, согласно изобретению, в качестве шихты используют смесь селенида цинка с элементарным селеном при следующих мас.%:
Селенид цинка
90-99
Элементарный селен
1-10,
а зону испарения реактора нагревают до температуры испарения 1000-1200°С, при этом охлаждение ведут со скоростью 25-30°С/ч.
Преимуществом данного способа является возможность получения материала с контролируемым стехиометрическим соотношением элементов и высоким оптическим качеством заготовок, обладающих низким поглощением в рабочем диапазоне.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных способах получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».
При анализе известных аналогов и прототипа не обнаружено предложение с совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, из чего следует, что для специалистов, занимающихся получением оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, оно явным образом не следует из уровня техники и следовательно, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемого способа получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка поясняется лучшим примером его выполнения.
Сначала готовят шихту на основе селенида цинка, содержащую селенид цинка в количестве 95,5%, и элементарный селен в количестве 4,5%, помещают ее внутрь реактора.
Реактор должен быть выполнен из графита и пропитан пироуглеродом для предотвращения отрыва частиц графита и попадания их в конденсат.
Используемая шихта может быть в виде или порошка, или гранул, или мелких кусков в зависимости от технологических возможностей предприятия.
Между исходным сырьем и подложкой создают перепад температур 200°С путем установления температуры конденсации 950°С и испарения 1150°С.
Пары вещества конденсируют, пропуская их через фильтр, на менее разогретую, по сравнению с источником вещества, подложку, где с течением времени конденсируется слой ZnSe необходимой толщины (обычно - от 5 до 25 мм).
Условия получения ОПМ на основе ZnSe конденсацией из паровой фазы приведены в таблице.
Как видно из таблицы, улучшение оптических характеристик образцов достигают за счет улучшения стехиометрии полученного вещества и выбора оптимальных температурно-временных режимов.
При температурах испарения менее 1000°С скорость испарения низкая, что ведет к значительному увеличению длительности процесса, т.е. к низкой производительности.
При температурах испарения более 1200°С качество материала ухудшается за счет захвата потоком пара частиц порошка и попадания их в конденсат. Получаемый материал имеет пористую структуру.
При скоростях охлаждения 25-30°С/ч образцы не содержат термических напряжений.
Увеличение скорости охлаждения образца более 30°С/ч вызывает появление напряжений и растрескивание образца.
Уменьшение скорости охлаждения образца менее 25°С/ч вызывает появление перекристаллизации материала.
Материал, полученный предлагаемым способом получения оптических поликристаллических материалов на основе селенида цинка, был испытан, и получены следующие результаты.
Таблица
№ п/п
Состав исходного сырья, мас.%
Химический состав образца, мас.%
Коэффициент поглощения при λ=10,6 мкм, см<sup>-1</sup>
Внешний вид
1
ZnSe
Zn - 45,50%
8×10<sup>-3</sup>
Зеленоватый
(без добавок)
Se - 54,50%
2
ZnSe - 99%
Zn - 45,40%
5×10<sup>-3</sup>
Зеленовато-желтый
Se - 1%
Se - 54,60%
3
ZnSe - 95%
Zn - 45,30%
(5-8)×10<sup>-4</sup>
Желтый
Se - 5%
Se - 54,70%
4
ZnSe - 90%
Zn - 44,90%
4×10<sup>-5</sup>
Зеленовато-желтый
Se - 10%
Se - 55,10%