КОМПОЗИЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к оптико-механической промышленности, в частности к оптическим материалам, применяемым в устройствах и приборах инфракрасной техники, и может быть использовано для изготовления защитных входных люков (окон), обеспечивающих надежное функционирование приборов.
Современная оптико-электронная аппаратура работает в широком диапазоне спектра оптического излучения. Объединение нескольких оптических трактов в единой комплексированной оптической схеме требует наличия общего защитного входного люка (окна), который бы наряду с прозрачностью в нужном спектральном диапазоне (λ=0,5-12,5 мкм) обеспечивал надежное функционирование аппаратуры при воздействии различных климатических факторов или экстремальных воздействий (дождь, град, пыль, избыточное давление во фронте ударной волны, термоудар и др.).
2
Известные оптические материалы, например селенид цинка и сульфид цинка, прозрачны в указанном спектральном диапазоне, однако в части воздействия климатических факторов или экстремальных воздействий имеют существенные недостатки. Так, селенид цинка является относительно "мягким" материалом (микротвердость ~100 кГс/мм), поэтому его наружная поверхность деградирует при воздействии капель дождя, града или пыли. Деградация поверхности ведет к уменьшению пропускания в рабочем диапазоне оптического спектра. Сульфид цинка при повышении температуры теряет тепловую чувствительность, что снижает обнаружительную способность оптико-электронного прибора (см., например, Дж. Ллойд. Системы тепловидения. Пер. с англ. М.: Мир, 1978, 414 с. (стр.236-241); Ж. Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. Пер. с франц. М.: Мир, 1988, 416 с. (стр.97-123).
Применение композиционного оптического материала (селенид цинка/сульфид цинка) в качестве входного люка позволяет минимизировать недостатки каждого из указанных материалов в отдельности и в значительной мере реализовать совокупность их достоинств (Klein C.A., diBenedetto В, Pappis J. ZnS, ZnSe and ZnS/ZnSe windows: their impact on FLIR system performance.// Opt. Eng. 1986, V.25, №4, P.519-531).
-2
2
Известен 2-слойный оптический материал ZnSe/ZnS, изготовленный по способу, предложенному в патенте RU №2077617, опубликованный 20.04.1997 по индексам МПК C30B 23/00, C30B 23/02, C30B 29/46. При получении оптического материала по данному способу осаждение пленочного покрытия из сульфида цинка, легированного галлием, на подложку из селенида цинка производится следующим образом: исходную подложку из селенида цинка с полированной поверхностью помещают в контейнер так, чтобы на эту поверхность осаждался слой сульфида цинка. Смесь порошкообразного сульфида цинка с галлием (5% вес. галлия) помещают в нижнюю часть контейнера. Камеру вакуумной печи с контейнером откачивают до давления 10 мм рт.ст. и разогревают так, чтобы крышка имела температуру 850°C, а дно - 950°C. Процесс ведут в динамическом вакууме в течение 10 часов. В результате на поверхности подложки из селенида цинка осаждается плотный слой сульфида цинка толщиной до 0,2 мм, имеющий микротвердость около 300 кГс/мм. Двухслойный композит, изготовленный по этому способу (физическое осаждение пара - Physical Vapor Deposizion - PVD), прозрачен в области оптического спектра 1-12 мкм и решает задачу получения поликристаллического материала на основе халькогенидов цинка, имеющего повышенную эрозионную стойкость.
Материал, полученный описанным способом, имеет следующие недостатки:
- не обеспечивает прозрачность в видимой области спектра (λ=0,5-0,9 мкм), что ограничивает функциональные возможности аппаратуры, где он применен;
- недостаточна толщина нанесенного слоя из сульфида цинка (0,2 мм), что не позволяет гарантированно обеспечить его защитную функцию (толщина слоя сульфида цинка должна быть не менее 0,4-0,5 мм).
2
2
Известен патент US №4978577, опубликованный 18.12.1990 по индексам МПК C23C, C30B, G02B, B32B, в котором заявлен способ получения слоистых материалов ZnSe и ZnS (Method for preparing laminates of ZnSe and ZnS). Полированная подложка ZnSe, полученная методом химического осаждения паров (Chemical Vapor Deposition - CVD), помещается в камеру осаждения вместе с металлическим цинком. Камера вакуумируется при нагреве примерно до 300°C, затем температура поднимается до 600°C, после чего подаются аргон и сероводород (HS) в течение 12 часов (пары цинка в камере в это время отсутствуют). Затем температура в камере поднимается до 690°C и вместе с HS подается смесь паров цинка и аргона. Далее осуществляется конденсация ZnS на подложке ZnSe обычным методом CVD.
2
По замыслу авторов патента US №4978577 реакция HS с поверхностью подложки ZnSe при отсутствии паров цинка обеспечивает высокую адгезию слоя сульфида цинка к подложке из селенида цинка. Полученный таким образом композит ZnSe/ZnS не расслаивается при эксплуатации и получил название TUFTRAN (Сеник Б.Н. Применение кристаллов в перспективных разработках гиперспектральных оптических систем. // Прикладная физика, 2007, №3, с.134-141).
К недостатку оптического композита, получаемого указанным способом CVD, следует отнести следующее:
- низкая прозрачность в видимой и ближней ИК-области спектра;
- введение дополнительной технологической операции, связанной с промежуточной реакцией сероводорода на полированной поверхности селенида цинка в отсутствие паров цинка.
Таким образом, в известных аналогах предложены технические решения, где каждый слой композиционного материала получают одинаковым методом PVD или CVD, что оправдано удобствами, связанными с однотипностью применяемого оборудования и технологического процесса.
Однако композиционные материалы, в которых слои селенида цинка и сульфида цинка, получают однотипными способами, имеют недостатки по оптическим параметрам, а также механическим характеристикам.
За прототип новой группы изобретений принимается патент US №4978577.
Задачей настоящего изобретения является получение композиционного оптического материала ZnSe/ZnS с улучшенной прозрачностью в видимой и ближней области спектра при сохранении высокой механической прочности подложки ZnSe, повышенной адгезией слоя ZnS к подложке при сохранении величины микротвердости слоя ZnS.
Поставленная цель достигается в предлагаемом композиционном оптическом материале, включающем основу в виде прозрачной пластины-подложки, выполненной из селенида цинка, структура, оптические и механические свойства которой обеспечены выращиванием ее методом химического осаждения пара селенида цинка, на полированную поверхность которой нанесен защитный слой сульфида цинка, в котором в отличие от прототипа защитный слой сульфида цинка имеет структуру, оптические и механические свойства, обеспеченные методом физического осаждения пара сульфида цинка.
x
1-x
Переход между слоями - сцепление пластины-подложки ZnSe с защитным слоем ZnS является оптически прозрачным переходным слоем в виде непрерывного ряда твердых растворов ZnSeS, где x изменяется от 0 до 1, что также обеспечено физическим осаждением паров сульфида цинка.
Способ получения композиционного оптического материала включает изготовление методом химического осаждения пара (CVD) основы в виде прозрачной пластины-подложки из селенида цинка, на одну из поверхностей которой после ее полирования наносят слой сульфида цинка, в котором в отличие от прототипа слой сульфида цинка наносят методом физического осаждения пара (PVD). При этом на протяжении всего процесса осаждения сульфида цинка происходит взаимодиффузия (проникновение) компонентов:
- селен диффундирует в слой сульфида цинка;
- сера диффундирует в слой селенида цинка.
x
1-x
В результате образуется переходный слой в виде непрерывного ряда твердых растворов - ZnSeS, где x изменяется от 0 до 1. Этот переходный слой обеспечивает надежную адгезию (сцепление) слоя сульфида цинка с основой из селенида цинка. При этом слой сульфида цинка достигает значительной толщины, до 2 мм.
На чертеже представлены спектры пропускания оптических материалов, изготовленных по способу-прототипу и новому способу, где кривая 1 отражает спектр пропускания оптического материала TUFTRAN, а кривая 2 - спектр пропускания нового оптического композита ZnSe/ZnS, изготовленного предложенным способом. На чертеже по горизонтальной оси обозначены значения длины волны λ (мкм), а по вертикали - значение пропускания τ (%).
3
3
-3
-1
2
Пример реализации изобретения: Исходная пластина-подложка из селенида цинка изготавливается методом CVD, например, по патенту RU №2046843, опубликованному 27.10.1995 г. по индексам МПК C30B 25/02, C30B 29/48. Данный способ включает нанесение промежуточного слоя селенида цинка химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка в потоке аргона и селеноводорода к нагретой подложке с последующим осаждением основного слоя поликристаллического селенида цинка. Промежуточный слой выполнен из поликристаллического селенида цинка, который наносят на подложки из стеклоуглерода, нагретые до 650-750°C, при общем давлении в реакционной зоне 0,5-1,3 кПа, при этом время осаждения не менее 5 часов при концентрации исходных реагентов 40-50 моль/м, а осаждение основного слоя селенида цинка ведут при концентрации 20-26 моль/м. Получают массивные поликристаллические слои селенида цинка с коэффициентом общего оптического поглощения на рабочей волне CO-лазера (10,6 мкм)1·10 см, постоянным по всей геометрии образца и размером зерна 50-100 мкм, что свидетельствует о высокой механической прочности материала.
После шлифовки и полировки пластина-подложка ZnSe диаметром 200 мм устанавливается в специальный контейнер, в который загружен предварительно прокаленный сульфид цинка. После вакуумирования печи с контейнером температура повышается т.о., чтобы на крышке установилась температура 700-750°C, а перепад температуры между дном и крышкой контейнера составлял 250-280°C. При таких температурных условиях скорость конденсации испаряющегося сульфида цинка составляет 0,02-0,1 мм/час и в течение, например, 20 часов на полированной поверхности пластины-подложки ZnSe, полученной методом CVD, нарастает слой сульфида цинка, уже методом PVD, толщиной 1-2 мм. После механической обработки толщина нанесенного слоя сульфида цинка составляет 0,5 мм, а общая толщина композита ZnSe/ZnS - 15 мм.
2
Как следует из сравнения спектров TUFTRAN и предложенного композита ZnSe/ZnS, последний выгодно отличается пропусканием в видимой и ближней ИК-области, при этом композит сохраняет высокую механическую прочность пластины-подложки ZnSe (CVD). Микротвердость нанесенного слоя ZnS (PVD) составляет 200 кГс/мм.