本發(fā)明屬于光電子材料摻雜改性及制造領(lǐng)域，具體涉及cvdzns晶體材料的摻雜改性方法。

背景技術(shù)：

cvdzns光學(xué)晶體是一種重要的ⅱ-ⅵ族半導(dǎo)體材料，在8～12μm長波紅外波段具有良好的紅外透過率，在進(jìn)行熱等靜壓處理后，在可見光、近紅外和中紅外波段也具有優(yōu)良的光學(xué)透過率，因此，可廣泛用于制備大功率紅外激光器窗口及紅外吊艙，高速飛行器紅外窗口和整流罩，以及汽車等其他批量應(yīng)用的視覺增強(qiáng)系統(tǒng)中的多光譜光學(xué)透鏡。目前，全球范圍內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用zns光學(xué)材料的制備工藝，主要有zns粉末熱壓工藝和化學(xué)氣相沉積(cvd)工藝兩種，cvd工藝生長cvdzns具有光學(xué)性能優(yōu)良，純度高，均勻性好的優(yōu)點，而且可以生長出大尺寸以及平面或曲面等符合光學(xué)器件需求的形狀，后續(xù)開發(fā)的熱等靜壓技術(shù)，不僅提高了cvdzns晶體材料在8～12μm長波紅外波段的光學(xué)透過率，還將其光學(xué)透射波段擴(kuò)展到可見波段，cvdzns在很大程度上取代了熱壓硫化鋅，成為制作多光譜光學(xué)元器件的主要首選材料，具有巨大的市場需求。

然而，對于cvdzns晶體材料，更多的關(guān)注點主要集中在提高其光學(xué)性能上，而忽略了其力學(xué)及機(jī)械性能。cvdzns晶體材料具有較差的力學(xué)性能和機(jī)械性能，事實上，目前通過cvd工藝生長的zns材料在沉積過程中其性能并沒有得到改善，研究表明，當(dāng)將cvdzns進(jìn)行退火或熱等靜壓等熱處理后，其在可見光、近紅外和中紅外波段的透過率雖然得到明顯提高，但該處理過程也導(dǎo)致了zns晶體材料內(nèi)晶粒的增大，使其變得更加柔軟，硬度和彎曲強(qiáng)度等力學(xué)及機(jī)械性能降低，進(jìn)而降低其耐腐蝕性、抗熱沖擊性能，嚴(yán)重影響其光學(xué)系統(tǒng)在高速飛行以及在各種惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用。因此，如何提高cvdzns晶體材料的力學(xué)性能，增強(qiáng)cvdzns晶體材料的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而改善cvdzns晶體材料的耐腐蝕性、抗熱沖擊性能，是影響cvdzns晶體材料深入廣泛應(yīng)用的最大屏障和難題，也是cvdzns晶體材料制備過程中改善材料性能方面所面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種雙面均勻沉積cvdzns塊體材料的設(shè)備，提出利用創(chuàng)新性的沉積基板結(jié)構(gòu)和噴嘴結(jié)構(gòu)，通過從沉積空間底部抽真空，控制氣流由下而上，再由上而下導(dǎo)流，使鋅蒸汽和硫化氫氣體均勻混合并沿沉積基板雙面均勻沉積，可一次制備得到9塊300×300×15mm的光學(xué)質(zhì)量均勻且厚度均勻的硫化鋅多晶塊體材料，既能制備出品質(zhì)好的硫化鋅多晶塊體材料，又可大大提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是一種cvdzns晶體材料的摻雜改性方法包括以下具體步驟：其工藝步驟具體包括：步驟1：(1)摻雜：在石墨坩堝中裝入原料鋅和一定質(zhì)量百分比濃度的摻雜劑金屬m或m與鋅合金zn-m，然后(2)熔化、混勻、冷卻：將石墨坩堝放入帶轉(zhuǎn)動裝置的加熱爐中，加熱熔化，混合均勻后冷卻，獲得用于化學(xué)氣相沉積的摻雜鋅原料；(3)生長：將石墨坩堝放入沉積爐中，按化學(xué)氣相沉積工藝完成晶體生長，獲得摻雜cvdzns晶體。步驟2：(1)按化學(xué)氣相沉積工藝完成晶體生長獲得cvdzns晶體；(2)將cvdzns進(jìn)行表面研磨和拋光；(3)在cvdzns晶體的至少一個表面沉積一層金屬m膜或其硫化物m2sx膜，然后步驟3：將所得晶體材料在惰性氣體氣氛中進(jìn)行恒溫恒壓熱處理。

在一種優(yōu)選的實施方式中，需要加入金屬鋅，還需要另外加入一種金屬m或其硫化物m2sx作為摻雜劑；

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，或其與鋅的合金鋅-鈦(zn-ti)、鋅-鎵(zn-ga)、鋅-銦(zn-in)、鋅-鋯(zn-zr)、鋅-鑭(zn-la)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m的純度為4n～8n。

在一種優(yōu)選的實施方式中，加入的摻雜劑金屬m的質(zhì)量百分比濃度為1～15％。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的熔化、混勻、冷卻在惰性氣氛中完成，完成條件為：溫度400～850℃，壓力為常壓，時間為6～36小時。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的表面拋光的等級在光學(xué)iv級及以上。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的金屬m膜為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，硫化物膜為硫化鈦(tis2)、硫化鎵(ga2s3)、硫化銦(in2s3)、硫化鋯(zrs2)、硫化鑭(la2s3)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的恒溫恒壓熱處理過程是在惰性氣氛中進(jìn)行，完成條件為：溫度500～950℃，壓力50～200mpa，過程時間為30～600分鐘。

在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，無論是在化學(xué)氣相沉積前對鋅原料進(jìn)行摻雜，還是在化學(xué)氣相沉積后對cvdzns進(jìn)行鍍膜摻雜，都要將金屬m元素滲入到cvdzns晶體材料中，在cvdzns中形成金屬硫化物(m2sx)，然后再通過恒溫恒壓熱處理，zn-m-s組成三元化合物并以第二相的形式沉析出來，均勻的分布在cvdzns晶體材料中或其表面。從而實現(xiàn)對cvdzns材料組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組與調(diào)整，實現(xiàn)增強(qiáng)cvdzns晶體材料力學(xué)和機(jī)械性能的目的，同時對光學(xué)性能沒有明顯影響。如果是在化學(xué)氣相沉積前對原料進(jìn)行摻雜，則摻雜的金屬硫化物會與zns一起沉積，如果是在化學(xué)氣相沉積后對cvdzns進(jìn)行鍍膜摻雜，則金屬m或其硫化物m2sx沉積到cvdzns的表面上，在后續(xù)的恒溫恒壓熱處理過程中再滲透到硫化鋅晶體的表層，滲入的深度取決于處理過程的時間、壓強(qiáng)和溫度。

本發(fā)明在不降低材料紅外透過性能的前提下達(dá)到了增強(qiáng)cvdzns晶體材料力學(xué)和機(jī)械性能的效果，并將多晶微結(jié)構(gòu)的成核控制在非常小的尺寸范圍內(nèi)，材料內(nèi)部的孔隙度減小，從而對cvdzns晶體材料的光學(xué)性能不會造成明顯的影響。

本發(fā)明的有益效果是通過摻雜技術(shù)和工藝，實現(xiàn)cvdzns晶體材料改性的目的。在不明顯影響其光學(xué)透過性能的前提下，使其力學(xué)性能增強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度增大，進(jìn)而提高和改善cvdzns晶體材料的耐腐蝕性、抗熱沖擊性能。

附圖說明

附圖1為未摻雜和摻雜的cvdzns晶體材料的紅外透過率曲線對比圖；

附圖2為不同摻雜劑摻雜cvdzns晶體材料在長波紅外波段的透過率曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供一種雙面均勻沉積cvdzns塊體材料的設(shè)備，提出利用創(chuàng)新性的沉積基板結(jié)構(gòu)和噴嘴結(jié)構(gòu)，通過從沉積空間底部抽真空，控制氣流由下而上，再由上而下導(dǎo)流，使鋅蒸汽和硫化氫氣體均勻混合并沿沉積基板雙面均勻沉積，可一次制備得到9塊300×300×15mm的光學(xué)質(zhì)量均勻且厚度均勻的硫化鋅多晶塊體材料，既能制備出品質(zhì)好的硫化鋅多晶塊體材料，又可大大提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是一種cvdzns晶體材料的摻雜改性方法包括以下具體步驟：其工藝步驟具體包括：步驟1：(1)摻雜：在石墨坩堝中裝入原料鋅和一定質(zhì)量百分比濃度的摻雜劑金屬m或m與鋅合金zn-m，然后(2)熔化、混勻、冷卻：將石墨坩堝放入帶轉(zhuǎn)動裝置的加熱爐中，加熱熔化，混合均勻后冷卻，獲得用于化學(xué)氣相沉積的摻雜鋅原料；(3)生長：將石墨坩堝放入沉積爐中，按化學(xué)氣相沉積工藝完成晶體生長，獲得摻雜cvdzns晶體。步驟2：(1)按化學(xué)氣相沉積工藝完成晶體生長獲得cvdzns晶體；(2)將cvdzns進(jìn)行表面研磨和拋光；(3)在cvdzns晶體的至少一個表面沉積一層金屬m膜或其硫化物m2sx膜，然后步驟3：將所得晶體材料在惰性氣體氣氛中進(jìn)行恒溫恒壓熱處理。

在一種優(yōu)選的實施方式中，需要加入金屬鋅，還需要另外加入一種金屬m或其硫化物m2sx作為摻雜劑；

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，或其與鋅的合金鋅-鈦(zn-ti)、鋅-鎵(zn-ga)、鋅-銦(zn-in)、鋅-鋯(zn-zr)、鋅-鑭(zn-la)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m的純度為4n～8n。

在一種優(yōu)選的實施方式中，加入的摻雜劑金屬m的質(zhì)量百分比濃度為1～15％。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的熔化、混勻、冷卻在惰性氣氛中完成，完成條件為：溫度400～850℃，壓力為常壓，時間為6～36小時。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的表面拋光的等級在光學(xué)iv級及以上。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的金屬m膜為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，硫化物膜為硫化鈦(tis2)、硫化鎵(ga2s3)、硫化銦(in2s3)、硫化鋯(zrs2)、硫化鑭(la2s3)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的恒溫恒壓熱處理過程是在惰性氣氛中進(jìn)行，完成條件為：溫度500～950℃，壓力50～200mpa，過程時間為30～600分鐘。

在本發(fā)明的實際應(yīng)用中，無論是在化學(xué)氣相沉積前對鋅原料進(jìn)行摻雜，還是在化學(xué)氣相沉積后對cvdzns進(jìn)行鍍膜摻雜，都要將金屬m元素滲入到cvdzns晶體材料中，在cvdzns中形成金屬硫化物(m2sx)，然后再通過恒溫恒壓熱處理，zn-m-s組成三元化合物并以第二相的形式沉析出來，均勻的分布在cvdzns晶體材料中或其表面。從而實現(xiàn)對cvdzns材料組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組與調(diào)整，實現(xiàn)增強(qiáng)cvdzns晶體材料力學(xué)和機(jī)械性能的目的，同時對光學(xué)性能沒有明顯影響。如果是在化學(xué)氣相沉積前對原料進(jìn)行摻雜，則摻雜的金屬硫化物會與zns一起沉積，如果是在化學(xué)氣相沉積后對cvdzns進(jìn)行鍍膜摻雜，則金屬m或其硫化物m2sx沉積到cvdzns的表面上，在后續(xù)的恒溫恒壓熱處理過程中再滲透到硫化鋅晶體的表層，滲入的深度取決于處理過程的時間、壓強(qiáng)和溫度。

本發(fā)明在不降低材料紅外透過性能的前提下達(dá)到了增強(qiáng)cvdzns晶體材料力學(xué)和機(jī)械性能的效果，并將多晶微結(jié)構(gòu)的成核控制在非常小的尺寸范圍內(nèi)，材料內(nèi)部的孔隙度減小，從而對cvdzns晶體材料的光學(xué)性能不會造成明顯的影響。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。