DK163295B - Fremgangsmaade til at fremstille chalkogenider, der er optisk transparente for infraroedt lys - Google Patents

Description

i

DK 163295 B

Den foreliggende opfindelse angår fremstilling af transparente materialer til optiske anvendelser, nemlig en fremgangsmåde til at fremstille chalkogenider, som er optisk transparente for infrarødt lys.

5

Det er velkendt, at de problemer, der opstår ved den traditionelle fremstilling af transparente materialer til bølgelængder, der ligger fra 2 til 12 pm, både forårsages af uundgåelige manipulationer under de forskellige fremstillingsfaser, 10 ved hvilke der foretages overføringer og udglødninger, og ved reaktanternes reaktioner med de ydre omgivelser, atmosfæren og beholderne. Resultatet er, at der opstår en forøgelse i både den intrinsiske og den ekstrinsiske dæmpn i ng af de transmitterende organer.

15

Intrinsisk dæmpning skyldes direkte absorption på grund af mater i al eurenhedsbi ndi nger , og ekstrinsisk dæmpning skyldes tilstedeværelsen af uregelmæssige domæner (spredningsdæmpning). Hvis materialet er krystallinsk, kan der især dannes disloka-20 tioner eller korn, hvis materialet er glasagtigt, kan der dannes krystallinske zoner eller separationer med forskellige tæthedsfaser.

En fremgangsmåde, som gør det muligt at opnå materialer, der 25 er omkostningseffektive, holdbare og af stor renhed, er den kemiske dampaflejring (eng: chemical vapour deposition, i det følgende kaldet CVD).

Denne fremgangsmåde, som anvendes til at fremstille elektro-30 niske komponenter og optiske fibre baseret på silicium, består af red-οχ reaktionen mellem to dampe, hvoraf der opnås et fast stof og residue!1e dampe. F.eks. kan silicium til halvledere frembringes ved følgende reaktioner: 35 S i H C13 + H2 - Si + 3 HCl (1) eller

SiCl4 + 2H2 - Si + 4HC1 (2)

DK 163295B

2 hvor reaktionen startes i en ovn med høj temperatur.

I den optiske fiberteknologi fremstilles si 1 iciumdioxid, også kaldet ki selsyreanhydr i d, ved følgende reaktion: 5

Si Cl 4 + O2 ·+ Si C>2 + 2 Cl2 (3) medens der for infrarøde materialer er en CVD fremgangsmåde, som fremstiller ZnS og ZnSe ved følgende reaktioner: 10

Zn + H2S ZnS + H2 (4) og

Zn + H2Se * ZnSe + H2 (5) 15 Ved ovenstående reaktion skal bemærkes, at CVD fremgangsmåden sædvanligvis gør brug af red-οχ reaktioner. Disse reaktioner har dog den ulempe, at der er mulighed for samtidigt løbende reaktioner, som medfører forskellige valenstilstande, hvis produkter er forskellige fra de ønskede og ofte er skadelige.

20 F.eks. kan der i reaktion (4) dannes ZnH grupper i en matrix (hvor zinkvalensen ikke er 2, men 1). De har optiske absorptionsbånd inden for interesseområdet fra 2 til 12 μιη.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at afhjælpe 25 disse ulemper ved en CVD fremgangsmåde, som anvender en dobbelt substitutionsreaktion i stedet for red-οχ reaktionen. Denne form for reaktion medfører ikke nogen variation i oxidationstilstanden for nogen elementer imellem reaktanterne, men kun den dobbelte substitution mellem reaktantkationer og -an-30 ioner.

Denne reaktion er særdeles fordelagtig, eftersom den eliminerer samtidigt løbende reaktioner, når som helst det ønskede reaktionsprodukt er i en aggregatform, der er forskellig fra 35 den for det andet produkt og for reaktanterne.

I dette tilfælde ændres ligevægten fuldstændig hen imod reaktionsprodukterne, og det ønskede produkt er let at udskille.

DK 163295 B

3

Hvis reaktanterne og de residuelle produkter endvidere er luftformige, og det ønskede produkt er et fast stof, er en kontinuerlig produktionsproces mulig. Hvis kogepunkterne for reaktanten og de residuelle produkter endvidere er væsentligt 5 lavere end smeltepunktet for det ønskede faste stof, kræver processen kun lidt energi og har samtidig en virkningsgrad på næsten 100%.

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en fremgangsmåde 10 til at fremstille cha1 kogen i der, som er optisk transparente i det infrarøde område, ved hvilken fremgangsmåde basiske reaktanter fordampes separat ved de tilsvarende kogepunkter og i damptilstanden sendes ind i reaktionszonen, hvor reaktionen igangsættes termisk, hvorved der også dannes nogle residuelle 15 produkter, og fremgangsmåden er ejendommelig ved, at der dannes chalkogenider, som har et højere smeltepunkt end kogepunkterne for reaktanten og residualmaterialet, ved en dobbelt substitutionsreaktion mellem en cha1 kogen idsyre og et salt af det metal, hvis chalkogenid skal fremstilles.

2.0

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ud fra en foretrukken udførelsesform.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe meget rene 25 chalkogenider, som kan anvendes som udgangsmateriale til fremstilling af glas, krystaller og mult i krystaller til anvendelse i teknologi i forbindelse med lasere og optiske fibre.

Disse materialer har et bredt transmissionsvindue i det infra-30 røde spektrum med lave absorptionskoefficienter og en teoretisk dæmpning på næsten 10"2 dB/km ved 5 til 6 pm. Den termiske udvidelseskoefficient er ca. 10“® k-*, og det er derfor, at trækning af det fremstillede glas er mulig. Derved bliver det muligt at fremstille optiske fibre.

35 Værdierne for brydningsindeks er relativt høje, ca. 2, hvilket gør det muligt at fremstille en såkaldt step-indeks glas-plast

DK 163295 B

4 fiber, dvs. en optisk fiber, hvis brydningsindeks ændrer sig trinvis i radiær retning.

Et eksempel på en dobbelt substitutionsreaktion, som er egnet 5 til at fremstille en chalkogenid som f.eks. arsentrisulfid, er følgende: 3 H2S + 2 AsC 13 AS2S3 + 6 HC1 (6) 10 hvor reaktanterne og saltsyren ved reaktionstemperaturen er i luftform, og arsentrisulfid er et fast stof. Tilsvarende gælder for reaktionerne mellem H2S og GeCl4, SnCl4, PC13, SiCl4 ved fremstilling af GeS2» SnS2, P2S3, SiS2· Reaktioner, der kræver højere temperatur, kan finde sted mellem H2S og SbCl3, 15 ZnCl2» CdCl2 ved fremstilling af Sb2S3, ZnS, SnS, CdS.

Generelt er reaktionen ved dobbelt substitution mellem en chalkogenidsyre (H2S, H2Se, H2Te) og et salt af det metal, hvi s chalkogen i d ønskes , anvende!i g til fremstilling af mate-20 rialer, der kan anvendes i det infrarøde område.

Det fremstillede salt må have et højere smeltepunkt end kogepunkterne for reaktanten og res i dual materi al et.

25 Et antal af de ovennævnte reaktanter kan anvendes samtidig for at opnå forskellige faststofblandinger, som kan udgøre udgangsmaterialet for en forudbestemt glassammensætning.

Diagrammet for et anlæg, der er indrettet til at fremstille 30 chalkogenider med den beskrevne type reaktioner er af lignende art som diagrammet for den konventionnelle CVD proces, hvor reaktanterne fordampes separat ved de tilsvarende kogepunkter, og holdes i damptilstanden, indtil det når reaktionszonen.

35 På det tidspunkt startes den dobbelte substitutionsreaktion, og det fremstillede salt med højt smeltepunkt udfældes og samles og anvendes. Ved passende justering af tryk og temperatur

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til at fremstille chalkogenider, som er optisk transparente i det infrarøde område, ved hvilken fremgangsmåde basiske reaktanter fordampes separat ved de tilsva- 20 rende kogepunkter og i damptilstanden sendes ind i reaktionszonen, hvor reaktionen igangsættes termisk, hvorved der også dannes nogle residuelle produkter, kendetegnet ved, at der dannes chalkogenider, som har et højere smeltepunkt end kogepunkterne for reaktanten og residualmaterialet, ved en 25 dobbelt substitutionsreaktion mellem en chalkogenidsyre og et salt af det metal, hvis chalkogenid skal fremstilles.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at temperaturen, hvorved reaktionen finder sted, ligger i om- 30 rådet mellem kogepunkterne for reaktanterne og de residuelle produkter, og smeltepunktet for materialerne.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den ovennævnte anvendte chalkogenidsyre er H2S, H2Se 35 eller H2Te.

4. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at som salte af det metal, hvis DK 163295 B 6 chalkogenid skal fremstilles, anvendes AsC13, SbCl3, ZnCl2, GeCl4, SnCl4, PC13, SiCl4, CdCl2 og/eller SnCl2.

5. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af de foregående krav, 5 kendetegnet ved, at to eller flere af de ovennævnte chalkogenider anvendes som reaktanter og påvirkes til at reagere på samme tid for at opnå forskellige faststofblandinger egnet til at danne udgangsmaterialet for optiske komponenter med en forudbestemt sammensætning. 10 15 20 25 30 35