Способ получения поликристаллического селенида цинка

 

Изобретение относится к силовой ИК-оптике, получению пассивных элементов мощных CO₂ -лазеров. Сущность изобретения: на подложки из стеклоуглерода, нагретые до 650-750°С, осаждают промежуточный слой селенида цинка в течение 5 ч при концентрации исходных реагентов 40-50 моль/м³ а основной слой при концентрации 20-26 моль/м³. 1 табл.

Изобретение относится к силовой ИК-оптике и касается разработки способа получения селенида цинка, используемого в качестве пассивных элементов высокомощных СО₂-лазеров и других приборов, работающих с мощным ИК-излучением.

Известен способ получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка в потоке аргона и селеноводорода, включающий нанесение промежуточного слоя, состоящего из графитового порошка, на графитовую подложку, нагретую до 700^оС, при общем давлении в реакционной зоне 13,3 кПа с последующим осаждением основного слоя селенида цинка [1] По данным лазерной калориметрии на рабочей волне СО₂ лазера (10,6 мкм) коэффициент общего оптического поглощения колеблется по геометрии образца от 0,8 до 5 м^-1. Лазерную стойкость определяли прямым разрушением образцов в импульсном режиме работы одномодового СО₂-лазера (длина импульса 200 нс, диаметр пучка 0,9 мм). Лазерная стойкость составляет 100 кДж/м².

Неоднородность оптического поглощения по геометрии образца и низкая лазерная стойкость обусловлены главным образом неконтролируемыми включениями частиц графитового порошка в основной слой селенида цинка.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка в потоке аргона и селеноводорода, включающий нанесение промежуточного слоя тонкодисперсного порошка селенида цинка на графитовую подложку, нагретую до 850^оС, при общем давлении в реакционной зоне 6,7 кПа с последующим осаждением основного слоя селенида цинка [2] Коэффициент общего оптического поглощения на рабочей волне СО₂-лазера колеблется по геометрии образца от 0,8 до 5 м^-1. Лазерная стойкость составляет 12 кДж/м². В этом случае неоднородность оптического поглощения и низкая лазерная стойкость обусловлены прорастанием пор с шероховатой поверхности порошкообразного селенида цинка в объем поликристаллического селенида цинка.

Недостатками способов получения селенида цинка [1, 2] являются непостоянное значение коэффициента оптического поглощения, меняющееся от точки к точке по геометрии образца, и низкая лазерная стойкость, что ограничивает, а порой исключает область его практического применения в качестве пассивных элементов высокомощных СО₂-лазеров.

Для снижения общего оптического поглощения и повышения лазерной стойкости в известном способе получения поликристаллического селенида цинка, включающем нанесение промежуточного слоя селенида цинка химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка в потоке аргона и селеноводорода к нагретым подложкам 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^оС, при общем давлении в реакционной зоне 0,5-1,3 кПа, время осаждения не менее 5 ч при концентрации исходных реагентов 40-50 моль/м³, а осаждение основного слоя селенида цинка ведут при концентрации 20-26 моль/м³.

По предлагаемому способу получают массивные (105х800 мм) поликристаллические слои селенида цинка с лазерной стойкостью 200-220 кДж/м² (20-22 Дж/см²), коэффициентом общего оптического поглощения на рабочей волне СО₂-лазера (10,6 мкм) 110^-3 см^-1, постоянным по всей геометрии образца и размером зерна 50-100 мкм, что свидетельствует о высокой механической прочности материала.

Совокупность всех этих показателей является необходимой и достаточной для использования полученного поликристал- лического селенида цинка в высокомощных СО₂-лазерах.

Температура подложки 650-750^оС, общее давление в реакционной зоне 0,5-1,3 кПа, концентрация исходных реагентов при осаждении промежуточного и основного слоев 40-50 и 20-26 моль/м³ cоответственно, а также время осаждения не менее 5 ч были подобраны экспериментальным путем и, как показали опыты, являются оптимальными для достижения технического результата.

При температуре ниже 650^оС коэффициент общего оптического поглощения увеличивается до 1 м^-1 (110^-2 см^-1), лазерная стойкость снижается до 100-120 кДж/м² за счет включения микрочастиц порошкообразного селенида цинка, образующегося в результате гомогенной реакции в газовой фазе.

При температуре выше 750^оС коэффициент оптического поглощения непостоянен до геометрии образца, а лазерная прочность также понижается за счет образования пор, вызванных развитой морфологией поверхности роста.

При давлении ниже 4 мм рт.ст. реагенты уносятся за зону осаждения за счет высокой скорости газового потока в реакторе и образования промежуточного слоя не происходит. Лазерная прочность в данном случае снижается.

При давлении выше 10 мм рт.ст. коэффициент общего оптического поглощения непостоянен и колеблется по геометрии образца от 0,8 до 5 м^-1.

В данном случае это происходит в результате внедрения в материал порошкообразных частиц селенида цинка.

При концентрации исходных реагентов ниже 40 моль/м³ поры в основном слое селенида цинка исчезают незначительно, а при концентрации выше 50 моль/м³ промежуточным слоем является порошкообразный селенид цинка, со стороны которого прорастают поры. В обоих случаях лазерная стойкость материала понижается до 100-120 кДж/м², а коэффициент общего оптического поглощения непостоянен и его значение меняется от точки к точке по всей геометрии образца.

Осаждение промежуточного слоя селенида цинка менее 5 ч не приводит к исчезновению пор в основном слое селенида цинка, а осаждение более 5 ч нецелесообразно, так как лазерная стойкость не увеличивается и коэффициент оптического поглощения не снижается.

При осаждении основного слоя селенида цинка концентрация исходных реагентов также имеет существенное значение. При концентрации ниже 20 моль/м³ в селениде цинка образуются поры, а при концентрации выше 26 моль/м³ в слое образуются микровключения порошкообразных частиц селенида цинка. В обоих случаях лазерная стойкость снижается, а коэффициент общего оптического поглощения увеличивается.

П р и м е р 1. Выращивание массивных поликристаллических слоев селенида цинка проводят на установке, состоящей из горизонтальной кварцевой трубы, в которую помещены резервуар с цинком и реактор квадратного сечения, состоящий из четырех стеклоуглеродных пластин марки СУ-2000.

С помощью форвакуумного насоса достигают остаточного давления 1,3 10 кПа и регуляторами расхода газов устанавливают следующие потоки: поток аргона через резервуар с цинком, поток аргона через резервуар с цинком, поток аргона по трубке, через которую подают селеноводород, и поток аргона, подаваемый по отдельной трубке в рабочую зону осаждения. С помощью вентиля на выходе из трубы устанавливают давление в системе 0,9 кПа.

Затем включают нагрев девятизонного внешнего резистивного нагревателя. При достижении температуры в зоне цинка 570^оС и в зоне реактора 700^оС подают селеноводород с концентрацией 50 моль/м³. Изменением температуры в зоне источника цинка устанавливают его концентрацию 50 моль/м³ и ведут осаждение промежуточного слоя в течение 7 ч. Затем концентрацию селеноводорода понижают до 2-4 моль/м³. Вентилем тонкой регулировки устанавливают первоначальное давление в реакционной зоне 7 мм рт.ст. и проводят осаждение основного слоя.

Полученные предлагаемым способом поликристаллические слои селенида цинка не имеют пор и включений, оптически однородны и визуально прозрачны.

Путем прямых испытаний в одномодовом импульсном СО₂-лазере (с длиной импульса 200 нс) было найдено значение лазерной стойкости, которое составило 220 кДж/м². По данным лазерной калориметрии на рабочей волне СО₂-лазера коэффициент общего оптического поглощения составляет 0,1 м^-1, средний размер зерна 50-100 мкм, что свидетельствует о высокой механической прочности.

В таблице представлены свойства образцов поликристаллического селенида цинка, полученных при различных значениях температуры, давления и концентрации исходных реагентов.

Из таблицы видно, что получение селенида цинка с лазерной стойкостью 200-220 кДж/м², коэффициентом общего оптического поглощения 0,1 м^-1 (1 10^-3 см^-1), постоянным по всей геометрии образца, возможно только в том случае, когда осаждение поликристаллического селенида цинка ведут на стеклоуглеродную подложку, нагретую до 650-750^оС, при давлении в реакционной зоне не менее 5 ч при концентрации исходных реагентов при осаждении промежуточного и основного слоев 40-50 и 20-26 моль/м³ соответственно (примеры 1, 2, 5, 6, 9, 10, 14-18). При температуре ниже 650^оС и выше 750^оС коэффициент общего оптического поглощения увеличивается, а лазерная прочность снижается (примеры 7, 8, 21, 22).

При давлении ниже 0,5 и выше 1,3 кПа коэффициент оптического поглощения либо увеличивается (примеры 11, 12, 23, 24), либо его значение непостоянно. Лазерная прочность в обоих случаях снижается.

При концентрации исходных реагентов ниже 40 и выше 50 моль/м³ лазерная стойкость снижается, а значение коэффициента оптического поглощения непостоянно (примеры 3, 4).

При осаждении промежуточного слоя селенида цинка менее 5 ч лазерная прочность снижается, а коэффициент оптического поглощения увеличивается (пример 13).

При осаждении основного слоя селенида цинка при концентрации исходных реагентов ниже 20 и выше 2,6 моль/м³ происходят понижение лазерной стойкости и повышение коэффициента общего оптического поглощения (примеры 19, 20).

Таким образом, все вышеперечисленные признаки являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они достаточны для достижения технического результата понижения лазерной стойкости и повышения коэффициента общего оптического поглощения.

В сравнении с прототипом предлагаемый способ позволяет снизить коэффициент общего оптического поглощения с 1 до 0,1 м^-1 (с 110^-2 до 110^-3 см^-1), величина которого постоянна по всей геометрии образца, повысить лазерную стойкость с 12 до 200-220 кДж/м².

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЕЛЕНИДА ЦИНКА химическим осаждением из паровой фазы путем подачи паров цинка в потоке аргона и селеноводорода в реакционную зону к нагретым подложкам, включающий нанесение промежуточного и основного поликристаллического слоев селенида цинка, отличающийся тем, что подложки используют из стеклоуглерода, нагрев их ведут до 650-750^oС, общее давление в реакционной зоне поддерживают 0,5-1,3 кПа, промежуточный слой выполняют из селенида цикла осаждением в течение не менее 5 ч при концентрации исходных реагентов 40-50 моль/м³, а основной слой при концентрации 20-26 моль/м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2