CN202078893U - P族多元化合物双温区合成容器及装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种P族多元化合物的双温区合成容器及装置，合成容器由可真空密封的石英管和料舟组成。石英管为一端封口的厚壁石英管，距封口端依次设有石英挡板a和石英挡板b。石英管的开口端有便于真空封结的石英销。合成装置包括合成容器、炉体和温度控制单元。炉体的加热元件为两组上下两层并排的硅碳棒。本实用新型装置具有合成容器便于真空封结，炉体升温温度高，控温精确且稳定的优点，解决了高熔点高分解压P族多元化合物合成过程中坩埚易爆，多晶料易与石英容器壁粘连或反应的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种P族多元化合物双温区合成容器及装置，尤其是P族多元化合物多晶材料的合成容器及装置。
背景技术
ZnGeP2，CdSiP2等黄铜矿结构的P族化合物半导体是重要的产生中远红外激光的光学变频材料，具有非线性系数大，光转换效率高等优点。此类化合物的合成一般采用单质原料按化学计量比在高温下反应制得，此类P族化合物具有高熔点、高蒸气分解压的特点，在直接合成过程中，在较低温下的反应速率低，加快升温速率又极易导致石英坩埚的爆炸，所以合成效率不高。而目前的多温区合成方法中又具有坩埚不易真空封结，且合成后的材料在高温下极易与石英坩埚粘连或反应，导致反应产物不纯或偏离化学计量比的缺点。
发明内容
为了克服传统的单温区法合成效率低、石英坩埚易爆的问题，以及现有的多温区合成中加热温度低，合成物料易与石英壁粘连或反应，石英坩埚不易封结的等问题，本实用新型提供一种便于真空封结的P族多元化合物双温区合成容器。
本实用新型还提供一种包括上述合成容器的双温区合成装置。
本实用新型的技术方案如下：
一种P族多元化合物双温区合成容器，包括可真空密封的石英管和合成料舟，所述石英管一端封口；在石英管内，距石英管封口端依次设有石英挡板a和石英挡板b；石英管开口端设有一段向外括口的锥形颈，并配有与锥形颈相密合的石英销，用于石英管开口端的真空封结；一合成料舟置于石英挡板b与锥形颈之间。
优选的，所述石英管为厚壁石英管，优选壁厚3-5毫米的石英管。
优选的，所述石英管挡板a和石英挡板b等高，高度为石英管内径的1/2～2/3。
优选的，所述石英管挡板a与封口端的距离和石英管挡板a与石英挡板b的距离相等。
石英挡板a的作用是防止放置在石英管封口端与石英挡板a之间的合成原料磷块向石英管开口端移动，石英挡板b的作用为防止合成料舟向石英管的封口端移动。
优选的，所述合成料舟为石墨舟、氮化硼舟、镀碳的石英舟、镀热解氮化硼涂层的石英舟或镀热解氮化硼涂层的石墨舟。
使用时，将合成原料中的磷块置于石英管封口端与石英挡板a之间，将其它合成原料置于料舟上，圆墩形石英销放于锥形颈位置后将石英管抽真空至2×10-4Pa以下时，用氢氧焰在圆墩形石英销位置处封结石英管。
一种P族多元化合物双温区合成装置，包括本实用新型所述的合成容器、炉体和温度控制单元，所述炉体包括外壳、加热元件、炉管，加热元件与炉管之间填有保温材料，所述加热元件为两组分上下两层并排的硅碳棒，一组为低温区加热元件，另一组为高温区加热元件。所述的合成容器置于炉管内，合成容器内的合成料舟位于高温区。
根据本发明优选的，所述炉管是氧化铝或碳化硅材料，具有较好的耐高温性能及抗冲击性能。
根据本发明优选的，所述每组硅碳棒的根数为2～8根。
所述温度控制单元由控温热电偶和控温仪组成，根据本发明优选的，所述温度控制单元是在炉管低温区和高温区分别安装有控温热电偶及FP93控温仪表。
优选的，所述控温热电偶是S型或K型控温热电偶。
所述温度控制单元的部件及安装可参见现有技术。
本实用新型的合成容器便于真空封结，本实用新型装置的炉体升温温度高，控温精确且稳定，用于合成高熔点、高蒸气分解压的P族多元化合物多晶材料，解决现有技术中存在的高熔点高分解压P族多元化合物合成过程中坩埚易爆、多晶料易与石英容器壁粘连或反应的问题；本实用新型采用硅碳棒加热方式可以长时间维持在1100℃以上的高温。
附图说明
图1是本发明的双温区合成容器结构示意图。
其中，1.石英管，2.石英挡板a，3.石英挡板b，4.合成料舟，5.锥形颈，6.石英销，7.石英管封口端，8.石英管开口端(粗径的那一段)，9.石英管开口端外口。
图2是本实用新型的P族多元化合物合成装置结构示意图。其中，21、炉体，22、合成容器，23、炉管，24、控温热电偶，25、控温仪表，26、控温仪表，27、控温热电偶，28、封盖板，29、低温区加热元件，30、高温区加热元件，31、保温材料。
图3是本实用新型合成装置双温区炉体的低温区控温为550℃，高温区控温为1000℃时的轴向温场曲线。横坐标是距低温区炉管口的距离(单位：cm)，竖坐标是温度(单位：℃)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。实施例中尺寸数据仅作示例，并不是对本实用新型的限制，本领域的技术人员可以根据合成量的需要适当加以变化。实施例中的FP93控温仪表、控温热电偶均按现有技术市场购得。
术语说明：石英管有效长度为石英管封口端到锥形颈处等径部分的长度。
实施例1.P族多元化合物双温区合成容器
双温区合成容器结构如图1所示，石英管1内径为30mm，有效长度为550mm，距封口端7距离为150mm和300mm的位置依次设有高度为15mm的石英挡板a 2和石英挡板b3，在距石英管的开口端口9约100mm处是锥形颈5和相配合的石英销6。在石英挡板b和锥形颈5之间放置一长度为200mm高度为20mm的氮化硼材料制成的合成料舟4。使用时，将合成原料中的磷块置于石英管封口端与石英挡板a之间，将其它合成原料置于料舟上，石英销6置于锥形颈5内然后将石英管抽真空至2×10-4Pa，用氢氧焰在石英销位置处封结石英管。
实施例2.P族多元化合物双温区合成装置
双温区合成装置的结构如图2所示，双温区炉体21的外壳为不锈钢板，加热元件为两组上下两层并排的硅碳棒，一组硅碳棒为低温区加热元件29，另一组硅碳棒为高温区加热元件30，每组硅碳棒的根数均为8根。炉管23为内径为100mm、厚度为5mm的氧化铝管，加热元件和炉管之间填有保温材料31，在炉管低温区和高温区分别安装有S型控温热电偶27、24，并分别连接FP93控温仪表25、26。实施例1所述的双温区合成容器22水平放置于炉管23内。
实施例3.应用举例，ZnGeP2多晶料合成
按ZnGeP2化学计量比配料，将合成原料中的磷块置于石英管封口端与石英挡板a之间，将Zn和Ge的混合物置于合成料舟4中，将合成料舟4置于石英挡板b与锥形颈之间，将圆墩形石英销堵住石英管锥形颈位置后抽真空，当真空达到2×10-4Pa后用氢氧焰在圆墩形石英销位置处封结合成容器。将合成容器置于双温区炉中，同时启动FP93控温仪表，升温高温区和低温区，将高温区从室温以50～100℃/h的升温速率升温至900℃，在此温度保温10～20h，然后以100～200℃/h的升温速率升温至1050℃；将低温区从室温以30～50℃/h的升温速率升温至550℃，在此温度保温10～20h，然后以10～20℃/h的升温速率升温至1060℃，使原料在此温度下反应10～30h后将两个温区降至室温，打开容器即得到磷锗锌多晶料。
实施例4.应用举例，CdSiP2多晶料合成
将纯度为99.999％的磷、硅、镉三种单质原料按硅∶镉∶磷＝1∶1∶2的比例配料，将磷装入石英管封口端与石英挡板a之间，将硅和镉的混合物放入氮化硼合成料舟中置于石英挡板b与锥形颈之间，将圆墩形石英销堵住石英管锥形颈位置后抽真空至2×10-4Pa，用氢氧焰封结石英管。将双温区石英管的装有磷的一端放至双温区合成炉的低温区，装有硅和镉的合成料舟的一端放至双温区合成炉的高温区。同时将双温区炉的高温区和低温区升温，将高温区从室温以50～100℃/h的升温速率升温至900℃，在此温度保温10～20h，然后以50℃/h的升温速率升温至1150℃；将低温区从室温以30～50℃/h的升温速率升温至500℃，在此温度保温10～20h，然后以10～20℃/h的升温速率升温至1160℃，使原料在此温度下反应10～30h后同时将双温区炉的两个温区降至室温，打开石英管即得到磷硅镉多晶料。
Claims (9)
1.一种P族多元化合物双温区合成容器，包括可真空密封的石英管和合成料舟，所述石英管一端封口；在石英管内，距石英管封口端依次设有石英挡板a和石英挡板b；石英管开口端设有一段向外括口的锥形颈，并配有与锥形颈相密合的石英销，用于石英管开口端的真空封结；一合成料舟置于石英挡板b与锥形颈之间。
2.根据权利要求1所述的P族多元化合物双温区合成容器，其特征在于所述石英管为壁厚3-5毫米的石英管。
3.根据权利要求1所述的P族多元化合物双温区合成容器，其特征在于所述石英管挡板a和石英挡板b等高，高度为石英管内径的1/2～2/3。
4.根据权利要求1所述的P族多元化合物双温区合成容器，其特征在于所述石英管挡板a与封口端的距离和石英管挡板a与石英挡板b的距离相等。
5.根据权利要求1所述的P族多元化合物双温区合成容器，其特征在于所述合成料舟为石墨舟、氮化硼舟、镀碳的石英舟、镀热解氮化硼涂层的石英舟或镀热解氮化硼涂层的石墨舟。
6.一种P族多元化合物双温区合成装置，包括权利要求1-5任一项所述的合成容器，炉体和温度控制单元，所述炉体包括外壳、加热元件和炉管，加热元件与炉管之间填有保温材料；所述加热元件为两组分上下两层并排的硅碳棒，一组为低温区加热元件，另一组为高温区加热元件；所述的合成容器置于炉管内，合成容器内的合成料舟位于高温区。
7.根据权利要求6所述的P族多元化合物双温区合成装置，其特征在于所述炉管是氧化铝或碳化硅材料。
8.根据权利要求6所述的P族多元化合物双温区合成装置，其特征在于所述每组硅碳棒的根数为2～8根。
9.根据权利要求6所述的P族多元化合物双温区合成装置，其特征在于所述温度控制单元是在炉管低温区和高温区分别安装有控温热电偶及FP93控温仪表。
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