Способ получения крупногабаритных кристаллов селенида цинка

 

Изобретение относится к способу получения оптически прозрачных кристаллов селенида цинка выращиванием и отжигом кристаллов. Исходный кристалл выращивают из расплава, охлаждают в устройстве для выращивания со скоростью 18-20 град/ч до комнатной температуры. Отжиг кристалла проводят в воздушной атмосфере, разогревая кристалл со скоростью не более 110 град/ч до 300 330°С, выдерживая его при этой температуре 4 5 ч. Затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 30 35 град/ч.

Изобретение относится к способам получения кристаллов селенида цинка, применяемых для изготовления элементов ИК-оптики.

Наиболее близким к изобретению является способ получения оптически прозрачных кристаллов ZnSe, включающий отжиг кристалла ZnSe, выращенного методом химического осаждения из паровой фазы. Отжиг проводится в течение 3 ч при 1000^оС и давлении аргона 205 МПа. Этот способ позволяет получать оптически прозрачные кристаллы ZnSe.

Недостатком данного способа является то, что максимальный размер кристаллов ограничен величиной 6 мм, что, вероятно, обусловлено растрескиванием более крупных кристаллов при высоком давлении. Кроме того, способ сложен, так как применение одновременно высокого давления и высокой температуры требует специального оборудования. К недостаткам способа следует отнести и значительный расход аргона в ходе процесса.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в известном способе-прототипе исходный кристалл выращивают из расплава, затем охлаждают его непосредственно в устройстве для выращивания со скоростью 18-20 град/ч до комнатной температуры, а затем проводят отжиг кристалла в воздушной атмосфере, разогревая кристалл со скоростью не более 110 град/ч до 300-330^оС, выдерживая его при этой температуре 4-5 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры со скоростью 30-35 град/ч.

Проведение процесса по предлагаемому способу позволяет получать оптически прозрачные кристаллы ZnSe с максимальным размером до 240 мм, т.е. в 40 раз большие, чем по способу-прототипу, что подтверждается испытаниями. Процесс достаточно прост, так как не требует специального оборудования. В качестве печи для отжига может быть использована обычная электропечь сопротивления с воздушной атмосферой. При этом устраняется также и использование аргона.

Оптическая прозрачность кристаллов в видимом и инфракрасном диапазоне подтверждается низкими значениями объемного коэффициента поглощения света с длиной волны 0,62 мкм ( 410^-4 см^-1, что не хуже, чем в способе-прототипе) и суммарного коэффициента поглощения света с длиной волны 10,6 мкм ( 1,510^-3 см^-1).

Увеличение размеров отжигаемых кристаллов обеспечивается следующим.

Охлаждение указанным образом в устройстве для выращивания снижает остаточные термические напряжения в кристалле до уровня, позволяющего перемещать ZnSe из ростовой печи в печь для отжига без растрескивания кристалла. Последующий отжиг в безградиентной печи снижает остаточные термические напряжения до уровня, позволяющего обрабатывать ZnSe механически без растрескивания кристалла и производить из него готовые изделия (например, оптические элементы СО₂-лазеров).

Предлагаемые параметры процесса выбраны экспериментально.

Охлаждение кристалла в устройстве для выращивания со скоростью выше 20 град/ч приводит к растрескиванию кристаллов с максимальным размером более 130 мм. Использование скорости охлаждения менее 18 град/ч не дает увеличения положительного эффекта.

Охлаждение кристалла в устройстве для выращивания до температуры выше комнатной может приводить к растрескиванию кристаллов при перемещении их из ростовой печи в печь для отжига.

Нагрев кристаллов в печи для отжига со скоростью выше 110 град./ч приводит к их растрескиванию.

Выдержка кристаллов в печи для отжига на воздухе при температуре выше 330^оС приводит к окислению поверхности ZnSe, что снижает его качество, а выдержка ниже 300^оС приводит к растрескиванию кристаллов при механической обработке.

Выдержка кристаллов в печи для отжига при 300-330^оС свыше 5 ч не дает увеличения положительного эффекта, а менее 4 ч приводит к растрескиванию ZnSe при механической обработке.

Охлаждение кристаллов по окончании отжига со скоростью выше 35 град./ч приводит к растрескиванию их при механической обработке, а со скоростью ниже 30 град./ч не дает увеличения положительного эффекта.

П р и м е р 1. По окончании процесса вытягивания из расплава кристалл селенида цинка с размерами 240 х 150 х 25 мм охлаждают в устройстве для выращивания со скоростью 20 град./ч до комнатной температуры. Затем извлекают кристалл из ростовой печи и перемещают в печь для отжига, разогревают его со скоростью 110 град./ч до 330^оС, выдерживают при этой температуре в течение 5 ч, а затем охлаждают со скоростью 35 град./ч до комнатной температуры. Отжиг проводится на воздухе, при давлении 1 атм. Получен кристалл селенида цинка размерами 240 х 150 х 25. Суммарный коэффициент поглощения излучения ИК-диапазона с длиной волны 10,6 мкм равен 1,310^-3 см^-1. Объемный коэффициент поглощения света с длиной волны 0,62 мкм равен 410^-4 см^-1.

П р и м е р 2. По окончании процесса вытягивания из расплава кристалл селенида цинка с размерами 240 х 150 х 25 мм охлаждают в устройстве для выращивания со скоростью 18 град./ч до комнатной температуры. Затем извлекают кристалл из ростовой печи и перемещают в печь для отжига, разогревают его со скоростью 100 град./ч до 300^оС, выдерживают при этой температуре в течение 4 ч, а затем охлаждают со скоростью 30 град./ч до комнатной температуры. Отжиг проводится на воздухе при давлении 1 атм. В результате получен кристалл селенида цинка размерами 240 х 150 х 25. Суммарный коэффициент поглощения излучения ИК-диапазона с длиной волны 10,6 мкм равен 1,510^-3 см^-1. Объемный коэффициент поглощения света с длиной волны 0,62 мкм равен 410^-4 см^-1.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КРИСТАЛЛОВ СЕЛЕНИДА ЦИНКА, включающий выращивание и отжиг кристаллов, отличающийся тем, что кристалл выращивают из расплава, затем охлаждают его непосредственно в устройстве для выращивания со скоростью 18 20 град/ч до комнатной температуры, а отжиг кристалла проводят в безградиентной печи в воздушной атмосфере путем нагрева со скоростью не более 110 град/ч до 300 330^oС, последующей выдержки его при этой температуре в течение 4 5 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры со скоростью 30 35 град/ч.