DE1533240B1

DE1533240B1 - Infrarotdurchlaessiges optisches Bauteil aus Kadmiumtellurid und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE1533240B1
Application number: DE19661533240
Authority: DE
Inventors: Edward Jun Carnall; William Frazier Parsons; Donald Walter Roy
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1965-04-23
Filing date: 1966-04-21
Publication date: 1970-03-12
Also published as: GB1079907A; US3475116A

Description

ι 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein infrarotdurch- rotdurchlässigkeit des Materials. Als Materialien für

lässiges optisches Bauteil aus Kadmiumtellurid und Bauteile mit polykristallinem Gefüge sind daher auch

auf ein Verfahren zum Herstellen dieses Bauteiles. nur CaF₂, MgF₂ und MgO bekanntgeworden, während

Es sind verschiedene, eine Infrarotstrahlung durch- eine große Zahl von Materialien, beispielsweise CdSe

lassende Materialien bekannt. Der Bereich der er- 5 und ZnTe, zwar einkristallin, nicht aber polykristallin

wünschten Eigenschaften, die mit diesen bekannten lichtdurchlässig sind.

Materialien erzielbar sind, ist jedoch sehr begrenzt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Eine große Anzahl der bekannten Materialien weist einfach herstell- und verarbeitbares infrarotdurch-Nachteile auf, die ihre Brauchbarkeit in zeitgemäßen lässiges optisches Bauteil aus Kadmiumtellurid zu Anwendungen, z. B. für Infrarot-Ortungsgeräte an io schaffen, das mit sehr viel größeren Abmessungen Geschossen und an Steuersystemen von Flugzeug- herstellbar und auch noch für sehr langwellige waffen, beschränkt. Die gegenwärtigen Anforderungen Infrarotstrahlung durchlässig ist. • erfordern infrarotdurchlässige, optische Bauteile, die Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, besser sind als Linsen aus Steinsalz. daß das Kadmiumtelluridbauteil aus einem homo-Ein infrarotdurchlässiges Bauteil, z. B. in einem Luft- 15 genen, polykristallinen, auf mindestens 99°/₀ der Ein-Luftgeschoß, ist extremen atmosphärischen Bedingun- kristalldichte verdichteten Preßling besteht, gen, Luftreibung und Temperaturänderungen aus- Durch sein stark verdichtetes homogenes polygesetzt. Die Luftreibung und die Temperaturände- kristallines Gefüge ist das erfindungsgemäße Bauteil rungen verursachen bereits wesentliche Schwierig- bei minimaler Bruchgefahr einfach und leicht bearbeitkeiten, wenn das Geschoß noch von einem Überschau- 20 bar und außerdem mit Abmessungen in einer Richtung jäger transportiert wird. Wenn jedoch das Geschoß von beispielsweise 150 mm herstellbar, so daß sich abgefeuert ist und mit Geschwindigkeiten, die ein z. B. Infrarotlinsen großen Durchmessers herstellen Mehrfaches der Schallgeschwindigkeit betragen, fliegt, lassen. Außerdem sind erfindungsgemäße Bauteile aus sind die Bedingungen noch extremerer Art. polykristallinem Kadmiumteüurid für infrarote Strah-Bekannte Arten infrarotdurchlässiger Bauteile, auch 25 lung von 2 bis 28 um Wellenlänge durchlässig, während solche der eingangs genannten Art, bestehen aus einem die herkömmlichen Bauteile aus einkristallinem Kad-Einkristall. Es ist bekannt, daß Einkristalle oft miumtellurid nur im Wellenlängenbereich 0,9 bis Spaltungsebenen aufweisen, so daß sie bei Belastungen 15 μηι durchlässig sind. Das homogene polykristalline durch schon geringe, parallel zur Spaltungsebene ein- Gefüge des erfindungsgemäßen Bauteils hat darüber, wirkende Kräfte zerbrechen. Diese Spaltungsebenen 30 hinaus den Vorteil, daß es weitgehend isotrop ist. machen es gewöhnlich auch äußerst schwierig, einen Wegen der Porenlosigkeit des erfindungsgemäß Einkristall zu schleifen oder ihn in anderer Weise in die hergestellten Preßlings sind keine merkbaren Streugewünschte Form eines optischen Bauteiles, z. B. einer ungsstellen für Infrarotstrahlung vorhanden, so daß Linse oder einer Kuppel, zu bringen. Die Züchtung der polykristalline Kadmiumtelluridpreßlingeinwandvon Einkristallen in einer in der Praxis brauchbaren 35 frei Infrarotstrahlung durchläßt. Falls auch die kleinen Größe ist sehr schwierig und kostspielig. Bisher war Kristallite im erfindungsgemäßen Preßling Spaltungses auch nur bekannt, für die Herstellung eines Bau- ebenen aufweisen, die bei großen Einkristallen so teiles der eingangs genannten Art einen Einkristall aus nachteilig sind, und falls längs der Spaltungsebene CdTe zu verwenden. Da dessen maximale Abmessung eines Kristallite eine Störung eingeleitet wird, wird in einer Richtung selbst bei sorgfältiger Kristall- 40 diese an den Zwischenfiächen zwischen diesem Kristalzüchtung nicht mehr als 25 mm beträgt, läßt sich aus Ht und den benachbarten Kristalliten aufgehalten, bei einkristallinem Kadmiumtellurid, das zudem schlecht denen aller Wahrscheinlichkeit nach die Spaltungsbearbeitbar ist, nur ein Bauteil geringer Abmessung, ebenen anders orientiert wären. Das Aufhalten der also beispielsweise eine Linse mit kleinem Durch- Störungen an den Grenzflächen verbessert ebenfalls messer, und geringer Festigkeit herstellen. Selbst wenn 45 die Eigenschaften des Preßlings gemäß der Erfindung, ein einen sehr wertvollen Gegenstand darstellender Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein großer Einkristall einmal erfolgreich gewachsen sein Verfahren zu schaffen, mittels dessen das erfindungssollte, können Spaltungsebenen die Bruchfähigkeit gemäße Bauteil hergestellt werden kann. Diese Auferhöht haben. gäbe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Ein weiterer Nachteil der Bauelemente aus ein- 5° Kadmiumtelluridpulver durch Warmpressen verdichkristallinem Kadmiumtellurid besteht darin, daß diese tet wird, wobei während mindestens 10 Minuten bei für langwellige Infrarotstrahlung von mehr als 15 μΐη einer Temperatur zwischen 600 und 85OC ein Druck Wellenlänge kaum noch durchlässig sind. zwischen 1050 und 3150kp/cm² angewendet wird. Wird einem Stoff, der als Einkristall Infrarot- Die Temperatur, bei der der Preßling gepreßt wird, Strahlung durchläßt, durch Schmelzen und Abkühlen 55 muß unterhalb der Schmelztemperatur von 1091⁰C ein widerstandsfähigeres und bearbeitbares poly- des polykristallinen Kadmiumtellurids liegen, muß kristallines Gefüge gegeben, so wird seine Infrarot- aber hoch genug sein, um eine plastische Deformation durchlässigkeit durch innere Spannungen und Poren der Pulverpartikeln unter dem angewendeten hohen innerhalb des gegossenen polykristallinen Körpers Druck zuzulassen. Die gleichzeitige Anwendung der oft wesentlich verringert. Gegossene polykristalline 6° verhältnismäßig hohen Temperatur und des Druckes Körper bestehen aus Kristalliten, die sich aus zufällig ermöglicht es, daß die Pulverpartikeln sich plastisch vorhandenen Keimen bilden. Die Kristallite haben verformen und sich so in lückenloser Weise aneinverschiedene Größe, weil sie sich beim Wachstum anderpassen, ohne daß dadurch die Kristallitgitter gegenseitig behindert haben. An den unter Spannung zerstört werden. Ein Temperaturbereich von 500 bis stehenden Zwischenfiächen zwischen den Kristalliten 65 1100⁰C und die Anwendung eines Druckes von können unvollständige Kristallisationen und Poren mindestens 1000 kp/cm² während mindestens 3 Minuvorhanden sein. Solche Poren bilden Streuungsstellen ten sind ebenfalls brauchbar, ergeben jedoch kein für infrarote Strahlung und beeinträchtigen die Infra- optimales Erzeugnis.

Das Pressen kann bei inerten Bedingungen vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre oder Vakuum erfolgen.

Es ist zwar an sich bekannt Metallpulver sowie ■ Pulver metallische Halbleiter darstellender intermetallischer Verbindungen an Stelle des beispielsweise bei BiTe anwendbaren Kaltpressens und anschließenden Sintern einem Warmpressen zu unterwerfen. Bisher gelang jedoch nur die Herstellung von CaF₂, MgF₂ und MgO auf diese Weise.

Zum Herstellen des Preßlings wird ein geschlossenes Werkzeug benutzt, das das Kadrniumielluridpulver einschließt, während dieses relativ hohen Temperaturen und hohen Drücken aufgesetzt ist. Da die Füllung des Werkzeuges pulverförmig ist, nimmt sie vor dem Pressen leicht die im wesentlichen vom Preßwerkzeug definierte Form an. Nach dem Warmpressen hat sie genau die innere Form des Werkzeuges. Bauteile beliebiger Form lassen sich also leicht herstellen. Wenn das Werkzeug genau geformt und sorgfältig poliert ist, benötigt der Preßling gemäß der Erfindung eine geringe oder sogar keine weitere Bearbeitung nach dem Warmpressen. Der Preßling gemäß der Erfindung kann aber auch in unbearbeiteten oder rohen Formen gepreßt und mit bei optischem Glas angewendeten Formungs- und Polierverfahren bearbeitet werden, bei denen Einkristalle zerstört wurden.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer für Infrarotstrahlung durchlässigen polykristallinen festen Kuppel aus Kadmr'umtellurid und

F: -;. }. ein Diagramm, das die Durchlässigkeit ehiäi vvurmgepreßten Kadmiunuelluridpreßlings zeigt.

Die in F i g. 1 dargestellte Kuppel aus Kadmiumteüurid illustriert eine übliche Form, in die Kadmiumreiliirid gemäß der Erfindung varmgepreßt werden

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit von warmgepreßiem Kaeir.iumtellurid als Ordinate und die Wellenlänge der geprüften Strahlung als Abszisse aufgetragen sind. Das Versuchsstück hatte einen Durchmesser von 51,308 mm und war 0,3175 mm dick. Die in F i g. 2 dargestellte Kurve ist nicht auf Reflexionsverluste korrigiert. Solche Reflexionsverluste betragen 33 bis 36% und können durch Beschichtung des Preßlings mit bekannten Antireflexionsschichten vermieden werden. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, hat der warmgepreßte Kadmiumtelluridpreßling eine breite Infrarotdurchlässigkeit, die, falls die Reflexionsverluste vermieden sind, sich an den Wert Eins bei Wellenlängen von 2 μηι über 28 bis 30 μηι annähert.

Das Pressen kann in jeder Vorrichtung durchgeführt werden, die geeignet ist, für ein gegebenes Werkzeug einen Druck von mindestens 1050 kp/cm² zu erzeugen. Das Werkzeug sollte gegenüber Kadmiumtellurid inert sein. Es kann aus Kohlenstoff oder einer hochschmelzenden Legierung hergestellt sein. Das Werk- zeug kann mit Folien aus inertem Metall ausgekleidet sein.

Das Werkzeug sollte eingeschlossen und geeignet sein, eine inerte Atmosphäre oder ein Vakuum während des Pressens aufrechtzuerhalten. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise durch elektrische Induktion. Besteht das Werkzeug aus einem Material, das nicht geeignet ist, auf induktivem Wege erhitzt zu werden, kann es in einem Material eingeschlossen sein, z. B. in Graphit, das die erforderliche Wärme erzeugen kann.

Das bevorzugte Ausgangsmaterial ist reines Kadmiumtellurid. "Verunreinigungen beeinträchtigen jedoch kaum die Festigkeit des Preßlings, führen jedoch Absorptionsbänder ein, die die infrarote Durchlässigkeit bei bestimmten Wellenlängen verringern. So können z. B. in bestimmten Fällen, bei denen die Festigkeit des Preßlings wichtiger ist als die infrarote Durchlässigkeit, Verunreinigungen in Kauf genommen werden.

Ein Kadmiumtelluridpreßling, der beim Pressen bei einer Temperatur zwischen 600 und 8 50° C und beim Druck von wenigstens 1050 kp/cm² unter Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre hergestellt wurde, weist die in F i g. 2 dargestellte spezifische Durchlässigkeit auf. Weiterhin besitzt er die folgenden physikalischen Eigenschaften:

Tabelle I
Youngscher Elastizitätsmodul und Bruchmodul

Temperatur C	Elastizitätsmodul kp.cm² · 10"	Bruchmodi'! kp/cm²	Wärmeleitfähigkeit	■ cm² ■ grad
-196	0,399	321,6		(iO13
25	0,308	268,9		0,0098
100	0,252	402,4		0.0088
	Tabelle II

Temperatu	Wärmeleitfähigkeit ca! cm
⁰C	see
-40
20
100

Tabelle III
Brechungsindex von warmgepreßtem CdTe

Wellenlänge in am	Brechungsindex
1,0	2.839
1,5	2,745
2,0	2.714
3,0	2.696
2,0	2,689
5,0	2,685
6,0	2,682
7,0	Afi80
8,0	.'.78
9,0	.: -·75
10,0	¹ {»73

Tabelle IV
Verschiedene Eigenschaften

Farbe	Wärmeausdehnungs koeffizient	Dichte	Schmelzpunkt
Schwarz	über einen Bereich von -196 bis 100⁰C	5,851g/cm³	1091⁰C

Die Bedeutung der ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften des Kadmiumtelluridpreßlings ergibt sich im Hinblick auf die folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Durch Pressen von im wesentlichen reinem Kadmiumtelluridpulver bei einer Temperatur zwischen 600 und 850⁰C und bei einem Druck von mindestens 1050 kp/cm² ergab sich ein Infrarotstrahlung durchlassendes erfindungsgemäßes Bauteil, das mindestens 99% der theoretischen Dichte und die Infrarotdurchlässigkeit gemäß F i g. 2 aufwies.

Beispiel 2

Der Preßling nach Beispiel 1 mit einem Durchmesser von 51,308 mm und einer Dicke von 0,3683 mm wurde von Raumtemperatur durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff auf eine Temperatur von — 196^C C abgekühlt, ohne daß eine nachteilige Wirkung eintrat.

Beispiel 3

Der Preßling nach Beispiel 1 mit einem Durchmesser von 51,308 mm und einer Dicke von 0,3683 mm wurde von 165,6 auf 23,9" C ohne nachteilige Wirkung abgeschreckt.

Beispiel 4

Der Preßling nach Beispiel 1 wurde 'einer relativen Feuchtigkeit von 96° „ bei einer Temperatur von 35,6°C 11 Tage lang ausgesetzt, ohne daß sich eine Änderung in seiner Strahlungsdurchlässigkeit zeigte.

B e i s ρ i e 1 5

Der Preßling nach Beispiel 1 wurde 16 Stunden lang einer Temperatur von 298,9 C ausgesetzt, ohne daß eine Änderung in seiner Strahlungsdurchlässigkeit eintrat.

Beispiel 6

Der Preßling nach Beispiel 1· wurde 16 Stunden lang einer Temperatur von 348,9'C ausgesetzt. Es bildete sich hierbei eine leicht graue Beschichtung der Oberfläche. Die Durchlässigkeit zeigte hierbei eine Reihe von Absorptionsbändern bei Wellenlängen zwischen 13 und 30 ;xm.

B e i s ρ i e 1 7

Der Preßling nach Beispiel 1 wurde 7 Stunden lang bei einer Temperatur von 298,9 C einem Vakuum von '/ίο Torr Druck ausgesetzt, ohne daß Änderungen in der Strahlungsdurchlässigkeit eintraten.

B e i s ρ i e 1 8

Der Preßling nach Beispiel 1 wurde in einem Vakuum von V10 Torr Druck einer Temperatur von 398,9^C C ausgesetzt. Nach 5 Minuten trat eine Wärmeätzung ein.

Die pbige Beschreibung und die Beispiele zeigen deutlich sowohl den großen Widerstand gegenüber Wärmeschocks als auch die anderen außergewöhnlichen Eigenschaften, wie z. B. den Elastizitätsmodul des- Kadmiumtelluridpreßlings.

Claims

Patentansprüche:

1. Infrarotdurchlässiges optisches Bauteil aus Kadmiumtellurid, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem homogenen, polykristallinen, auf mindestens 99% der Einkristalldichte verdichteten Preßling besteht.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke von 0,3175 mm die Durchlässigkeit für infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich von 10 bis 25 ;xm ohne Berücksichtigung der Reflexionsverluste mindestens 60% beträgt.

3. Verfahren zur Herstellung des Bauteiles nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise CdTe-Pulver durch Warmpressen verdichtet wird, wobei während mindestens 10 Minuten bei einer Temperatur zwischen 600 und 850 C ein Druck zwischen 1050 und 3150 kp cm² angewendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen