一种ZnS多晶的制备方法
技术领域
本发明涉及多晶硫化锌技术领域,尤其涉及一种ZnS多晶的制备方法。
背景技术
ZnS是一种用途广泛的宽带隙II-VI族半导体材料。红外硫化锌多晶材料具有优异的机械性能和光学性能,广泛用于红外成像系统和多光谱精确制导系统的整流罩等。
目前制备硫化锌多晶的生产工艺主要有:真空热压法、化学气相沉积法和物理气相沉积法,物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)法对设备要求复杂,沉积室和真空系统的设计难度非常高,工艺也非常不好控制,过程中温度及真空的波动,对硫化锌多晶的影响非常大,导致开裂和透过率不高等,并且所需时间非常久,多达半个多月。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种ZnS多晶的制备方法,该方法制备的ZnS多晶的具有较高的红外透过率。
本发明提供了一种ZnS多晶的制备方法,包括以下步骤:
将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min;
将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物;
将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。
优选地,所述硫化锌的D50为5~10微米。
优选地,所述第三温度为10~40℃。
优选地,真空度至5~6Pa后升温至第二温度。
优选地,硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min。
本发明提供了一种ZnS多晶的制备方法,包括以下步骤:将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min;将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物;将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。本发明在上述工艺下制得的ZnS多晶具有较高的红外透过率。另外,该方法降低了热压压力,降低了对热压模具和硫化锌粉末的要求。实验结果表明:该方法制得的ZnS多晶的3~5μm红外透过率为65~66%,8~12μm红外透过率为69~70%。
具体实施方式
本发明提供了一种ZnS多晶的制备方法,包括以下步骤:
将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min;
将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物;
将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至降温至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。
本发明在上述工艺下制得的ZnS多晶具有较高的红外透过率。另外,该方法降低了热压压力,降低了对热压模具和硫化锌粉末的要求。
本发明将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min。本发明通过通入硫化氢,将硫化锌粉体还原,去除硫化锌原料中的氧气。
在本发明中,所述硫化锌优选选自D50为5~10微米的硫化锌;在本发明的具体实施例中,所述硫化锌具体选自D50为5微米的硫化锌、D50为10微米的硫化锌或D50为8微米的硫化锌。
在本发明中,硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min,优选为(0.0001~15)kg:(1.8~2.1)L/min:(0.5~1)L/min。本发明开始通入硫化氢保持20~30min后升温,优选保持20~25min后升温。在本发明具体实施例中具体为:以2L/min通入硫化氢气体,保持20min后升温。在具体实施例中,升至第一温度后硫化氢速率调整为0.5L/min、0.8L/min或1L/min。
得到预处理硫化锌后,本发明将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物。本发明优选在惰性气体存在下进行混合。
得到混合物后,本发明将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至降温至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。
本发明将混合物装入模具中,置于本领域技术人员熟知的真空热压炉中,进行预压。在本发明具体实施例中,预压压力具体为50MPa、53MPa或55MPa。
所述真空度至4~10Pa后升温至第二温度,优选真空度至5~6Pa后升温至第二温度。所述第二温度为800~1000℃,优选为900~1000℃。
本发明提供了一种ZnS多晶的制备方法,包括以下步骤:将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min;将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物;将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。本发明在上述工艺下制得的ZnS多晶具有较高的红外透过率。另外,该方法降低了热压压力,降低了对热压模具和硫化锌粉末的要求。实验结果表明:该方法制得的ZnS多晶的3~5μm红外透过率为65~66%,8~12μm红外透过率为69~70%。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种ZnS多晶的制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
1.粉体还原:将3kg D50为5微米的硫化锌装入管式加热炉中,以2L/min通入硫化氢气体,保持20min,然后开启加热,升温至600℃,保温3h;当温度到达最高温度后,硫化锌气体的流量改为0.8L/min,当温度降为室温后,取出物料,得到去氧硫化锌。
2.掺杂:降去氧后的硫化锌,加入质量比0.8%的Al2S3,在惰性气体保护下混合均匀,得到混合物;
3.真空热压:混合物装入模具中,置于真空热压炉中,进行预压,预压压力为53MPa,将热压炉进行抽真空,当真空度到达5pa时,开始加热,加热速率为10℃/min,加热至900℃,保温7h。当升到最高温900℃4h后,开始加压,加压压力为80MPa,保持至降温;当温度降到室温后,脱模,取出硫化锌,加工成厚度为6mm,两面抛光的ZnS多晶样品,测试其红外透过率。
红外透过率测试结果为:3~5μm红外透过率为65%,8~12μm红外透过率为70%。
实施例2
1.粉体还原:将10kg D50为10微米的硫化锌装入管式加热炉中,以2L/min通入硫化氢气体,保持20min,然后开启加热,升温至550℃,保温4h;当温度到达最高温度后,硫化锌气体的流量改为0.5L/min,当温度降为室温后,取出物料,得到去氧的硫化锌;
2.掺杂:降去氧后的硫化锌,加入质量比0.5%的Al2S3,在惰性气体保护下混合均匀,得到混合物;
3.真空热压:混合物装入模具中,置于真空热压炉中,进行预压,预压压力为50MPa,将热压炉进行抽真空,当真空度到达5pa时,开始加热,加热速率为7℃/min,加热至1000℃,保温6h;当升到最高温1000℃3h后,开始加压,加压压力为90MPa,保持至降温;当温度降到室温后,脱模,取出硫化锌,加工成厚度为6mm,两面抛光的ZnS多晶样品,测试其红外透过率。
红外透过率测试结果为:3~5μm红外透过率为66%,8~12μm红外透过率为69%。
实施例3
1.粉体还原:将12kg D50为8微米的硫化锌装入管式加热炉中,以2L/min通入硫化氢气体,保持20min,然后开启加热,升温至500℃,保温2h;当温度到达最高温度后,硫化锌气体的流量改为1L/min,当温度降为室温后,取出物料,得到去氧的硫化锌;
2.掺杂:降去氧后的硫化锌,加入质量比0.3%的Al2S3,在惰性气体保护下混合均匀,得到混合物;
3.真空热压:混合物装入模具中,置于真空热压炉中,进行预压,预压压力为55MPa,将热压炉进行抽真空,当真空度到达5pa时,开始加热,加热速率为9℃/min,加热至900℃,保温8h;当升到最高温900℃5h后,开始加压,加压压力为70MPa,保持至降温;当温度降到室温后,脱模,取出硫化锌,加工成厚度为6mm,两面抛光的ZnS多晶样品,测试其红外透过率。
红外透过率测试结果为:3~5μm红外透过率为66%,8~12μm红外透过率为68%。
由以上实施例可知,本发明提供了一种ZnS多晶的制备方法,包括以下步骤:将硫化锌置于管式加热炉中,开始通入硫化氢20~30min后升温,升至第一温度后保温2~4h,所述第一温度为500~600℃;升至第一温度后硫化氢调整通入速率;保温结束后再降温至10~40℃,得到预处理硫化锌;硫化锌的质量、硫化氢的开始通入速率和硫化氢的调整通入速率比为(0.0001~15)kg:(1.5~2.3)L/min:(0.5~1)L/min;将质量比为100:0.3~0.8的预处理硫化锌和Al2S3混合,得到混合物;将所述混合物进行预压至压力50~55MPa后抽真空,真空度至4~10Pa后升温至第二温度,保温6~8h,所述第二温度为800~1000℃;升至第二温度3~5h后加压,加压压力为70~90MPa,保持压力至第三温度,第三温度为10~40℃,得到ZnS多晶。本发明在上述工艺下制得的ZnS多晶具有较高的红外透过率。另外,该方法降低了热压压力,降低了对热压模具和硫化锌粉末的要求。实验结果表明:该方法制得的ZnS多晶的3~5μm红外透过率为65~66%,8~12μm红外透过率为69~70%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。