PL209891B1

PL209891B1 - Sposób otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu oraz urządzenie do otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu

Info

Publication number: PL209891B1
Application number: PL384662A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Mycielski
Original assignee: Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2011-11-30
Also published as: PL384662A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu (CdTe) wykorzystującego reakcję w fazie par, a stosowanego w technologii przyrządów półprzewodnikowych oraz urządzenie do otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu.

Kadm jest metalicznym pierwiastkiem z drugiej kolumny układu okresowego a tellur pierwiastkiem z szóstej kolumny układu okresowego. Jako związek chemiczny CdTe stanowi jeden z klasycznych związków półprzewodnikowych typu AlI - BVI. Przerwa energetyczna tego związku a także parametry struktury pasmowej są przedmiotem licznych badań oraz aplikacji. CdTe coraz powszechniej stosowany jest jako materiał na detektory promieniowania X i gamma, z dodatkiem cynku stanowi podłoża do detektorów podczerwieni, (ciągle związane są z nim nadzieje na zastosowania w bateriach słonecznych). Natomiast z dodatkiem manganu stanowi klasyczny półprzewodnik półmagnetyczny. Temperatura topnienia CdTe wynosi ~1095°C. Najprostszym, znanym sposobem otrzymywania tego związku jest poddanie kadmu i telluru reakcji chemicznej, bezpośredniej, która jest reakcją egzotermiczną (czyli z wydzielaniem dużej ilości ciepła). W sposobie tym, kadm i tellur w stechiometrycznych proporcjach zamyka się w odpowiedniej ampule kwarcowej i powolnie (często 1 - 2 dni), stopniowo podgrzewa do temperatury topnienia CdTe. Podczas tego procesu, w temperaturze ~500°C oba składniki są już w stanie ciekłym ale ich wzajemna reakcja prawdziwie burzliwa i egzotermiczna (na którą mamy mały wpływ) zaczyna się w temp. 700 - 900°C. W przypadku doświadczalnych (małych) ilości wytwarzanego związku nie ma większych problemów, natomiast gdy w grę wchodzą większe ilości materiału rzędu 250 g kadmu i telluru pojawiają się problemy związane z bezpieczeństwem prowadzonego procesu. Przy większych ilościach materiału, zachodząca burzliwie, nie kontrolowana reakcja może spowodować, że lokalne temperatury tworzącego się związku znacznie przekroczą temperaturę topnienia CdTe, w efekcie czego nastąpi wzrost ciśnienia par wewnątrz ampuły nawet do kilkudziesięciu atmosfer. Wzrost ciśnienia par spowodowany jest wysoką temperaturą, w której znalazły się jeszcze nie przereagowane pierwiastki (głównie tellur).

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu otrzymywania dobrze przereagowanego CdTe, który przebiegałby w temperaturach niższych niż temperatura jego topnienia, byłby sposobem dobrze kontrolowanym, a przez to i bardziej bezpiecznym oraz urządzenia umożliwiającego realizację tego sposobu.

Sposób otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu według wynalazku polega na poddaniu kadmu i telluru w stechiometrycznych proporcjach reakcji w zamkniętej ampule kwarcowej. W sposobie tym, kadm i tellur o czystości półprzewodnikowej (6N) umieszcza się w półotwartych komorach trzykomorowej ampuły kwarcowej, przy czym pierwiastki umieszczone są oddzielnie, w komorach krańcowych przedzielonych pustą komorą. Ampułę odpompowuje się do wysokiej próżni, zamyka i umieszcza się w strefowym urządzeniu grzejnym, którego każda strefa ogrzewa inną komorę ampuły. Następnie w temperaturach 450 - 850°C prowadzi się proces termiczny. W pierwszym etapie procesu podgrzewa się tylko środkową, pustą komorę do temperatury ~850°C i utrzymuje tę temperaturę przez ok. 2 godziny. W drugim etapie obniża się temperaturę komory środkowej do temperatury 750°C i jednocześ nie podgrzewa się komorę z kadmem do temperatury ~450°C a komorę z tellurem do temperatury ~590°C. Takie temperatury utrzymuje się do całkowitego zakończenia reakcji. Korzystnie jest jeżeli odległość między komorą, w której znajduje się kadm a komorą, w której znajduje się tellur wynosi 25 - 30cm.

Urządzenie do otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu posiada piec o trzech strefach grzania wewnątrz którego znajduje się kwarcowa ampuła technologiczna stabilizowana elementami pozycjonującymi z otworami umożliwiającymi obserwację procesu. Ampuła posiada trzy półotwarte komory ograniczone przewężeniami oraz zamknięcie, przy czym każda z komór ampuły znajduje się w innej strefie grzania pieca.

Sposób według wynalazku pozwala na otrzymywania dużych (powyżej 250 g) ilości mikrokrystalicznego tellurku kadmu w relatywnie niskich temperaturach ~750°C. Jest sposobem całkowicie bezpiecznym, ponieważ reakcja egzotermiczna ma przebieg w pełni kontrolowany gdyż masy poszczególnych pierwiastków dostarczane są do reakcji jedynie poprzez strumień par a ten jest regulowany przez temperaturę źródła.

Wynalazek zostanie objaśniony na przykładzie przereagowania półprzewodnikowej czystości kadmu (99,9999 - 6N) z półprzewodnikowej czystości tellurem (99,9999 - 6N). Na Fig. 1 rysunku pokazano przykładowe urządzenie do reagowania CdTe, na Fig. 2 przedstawiono rozkład temperatury

PL 209 891 B1 w ampule technologicznej w pierwszym etapie prowadzenia procesu, a na Fig. 3 - rozkł ad temperatury w ampule podczas drugiego etapu prowadzenia procesu. Urządzenie posiada trzystrefowy piec rurowy 1 z niezależnym dla każdej strefy zasilaniem. Każda ze stref pieca ma osobne zasilanie z możliwością stabilizacji temperatury: zewnętrzne strefy mają stabilizację w zakresie temperatur 400 - 700°C, a środkowa strefa w zakresie temperatur 600 - 900°C. Wewnątrz pieca umieszczona jest technologiczna ampuła kwarcowa 2 posiadająca trzy półotwarte komory ograniczone dwoma przewężeniami 3 stanowiącymi przeszkodę dla ciekłego kadmu 4 i ciekłego telluru 5 oraz przewężenie 9 przechodzące w zmniejszoną średnicę ampuły a ułatwiające jej zamykanie i otwieranie. W przykładowym rozwiązaniu rura kwarcowa ma średnicę 60 mm, wykonana jest z kwarcu o spektralnej czystości ( SiO2 ~ 6N). Ampuła z jednej strony jest zadenkowana, a z drugiej strony ma przylutowaną rurę kwarcową 6 o węższej średnicy (30 mm), która po odpompowaniu do wysokiej próżni ~10^-6 Tr, służy do zamknięcia (zalutowania) ampuły. Ampuła w piecu jest odpowiednio ustawiana za pomocą elementów pozycjonujących 7 posiadających otwory 8 wychodzące na denko ampuły kwarcowej 2 i umożliwiające obserwację reakcji.

Sposób otrzymywania tellurku kadmu (CdTe) według wynalazku oparty jest na przeprowadzeniu reakcji kadmu z tellurem w fazie pary, przy kontrolowanych prężnościach par obu składników. Reakcję prowadzi się w ampule kwarcowej o długości 60 cm z jednej strony „zadekowanej” i posiadającej dwa przewężenia znajdujące się w odległości ~ 15 cm od obu końców. Wysokość przewężeń jest w przybliżeniu równa połowie średnicy ampuły. Otwarty koniec ampuły, za przewężeniem 9, jest połączony z rurą kwarcową o długości 10 - 15 cm i o średnicy nie większej niż 30 mm, co umożliwia zamknięcie ampuły w tym miejscu, a po zakończeniu procesu na łatwe jej otwarcie.

Między zadenkowanym końcem ampuły a najbliższym przewężeniem umieszcza się półprzewodnikowo czysty kadm (czystość ~6N), a pomiędzy drugim przewężeniem a otwartym końcem ampuły umieszcza się półprzewodnikowo czysty tellur (czystość ~6N). Oba pierwiastki odważone są w stechiometrycznych proporcjach wynikają cych z ich masy atomowej: 112,41 dla Cd i 127,61 dla Te. Następnie ampułę odpompowuje się do wysokiej próżni (~10^-6 Tr) i zamyka (zatapia) w części gdzie średnica rury jest 30 mm. Tak przygotowaną ampułę z kadmem i tellurem wprowadza się do trzy strefowego pieca rurowego, w którym każda ze stref grzejnych ma długość ok. 25 cm. Pierwszym etapem procesu jest ogrzanie środkowej strefy do ok. 850°C, w tym czasie obie zewnętrzne strefy pieca nie są podgrzewane. Podgrzanie środkowej strefy trwa ok. 2 - 3 godziny i ma na celu odparowanie w lewo i w prawo przypadkowych kawałków kadmu lub telluru, które znalazły się w ś rodkowej części ampuły. Drugim etapem procesu jest obniżenie temperatury w środkowej strefie grzania do temperatury ~750°C i jednoczesne podgrzanie obu zewnętrznych stref pieca. Strefę zewnętrzną obejmującą tę część ampuły, w której znajduje się kadm podgrzewa się do temperatury ~450°C (przy tej temperaturze prężność par Cd wynosi ~5 Tr), a strefę, w której znajduje się część ampuły zawierająca tellur do temperatury ~590°C (przy tej temperaturze prężność par Te wynosi również ~5 Tr).

Oba składniki procesu, to jest kadm i tellur są w tych temperaturach ciekłe ale przewężenia w ampule nie pozwalają im się ze sobą bezpośrednio spotkać i połączyć. Reakcja więc zachodzi w środkowej komorze ampuły, jest gwałtowna chociaż przebiega jedynie pomiędzy parami obu składników. Podczas reakcji widoczne są błyski i wyładowania typu burzowego gdyż energia wydzielana jest w postaci światła. Reakcja jest w pełni bezpieczna ponieważ zachodzi w temp. 750°C a więc w temperaturze znacznie niższej niż temperatura topnienia CdTe, i masa produktów do reakcji jest niewielka, bo podawana przez strumień par, który jest kontrolowany ciśnieniem par obu składników. Na skutek tak prowadzonej reakcji, w pustej środkowej komorze ampuły powstaje przereagowany proszek składający się z mikro kryształków CdTe, które nie przylegają do ścianek ampuły i łatwo dają się wyjąć. Proces prowadzi się przez 2 - 5 godzin.

Gdy reakcja zakończy się (zgaśnie) temperatura w poszczególnych strefach jest utrzymywana jeszcze przez 1 - 2 godz. Następnie piec jest schładzany do temperatury pokojowej, ampuła jest wyjmowana i otwierana w części gdzie miała ś rednicę 30 mm, na przewężeniu 9 przez zrobienie rysy nożem szklarskim i specjalne „złamanie”. Przereagowany materiał w postaci mikrokrystalicznego proszku CdTe wyjmuje się z ampuły bez większych trudności, a ampuła po umyciu i przylutowaniu nowej rury o ś rednicy 30 mm mo ż e być ponownie uż ywana.

Claims

1. Sposób otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu, w którym kadm i tellur w stechiometrycznych proporcjach poddaje się reakcji w zamkniętej ampule kwarcowej, znamienny tym, że kadm i tellur o czystości półprzewodnikowej (6N) umieszcza się w półotwartych komorach trzykomorowej ampuły kwarcowej, przy czym pierwiastki umieszczone są oddzielnie, w komorach krańcowych przedzielonych komorą pustą, ampułę odpompowuje się do wysokiej próżni ~10^-6 Tr, zamyka i umieszcza się w strefowym urządzeniu grzejnym, którego każda strefa ogrzewa inną komorę ampuły, następnie w temperaturach 450 - 850°C prowadzi się proces termiczny, w pierwszym etapie procesu podgrzewa się tylko środkową, pustą komorę do temperatury ~850°C i utrzymuje tą temperaturę przez ok. 2 godziny, w drugim etapie procesu obniża się temperaturę komory środkowej do temperatury ~750°C i jednocześnie podgrzewa się komorę z kadmem do temperatury ~450°C a komorę z tellurem do temperatury 590°C, takie temperatury utrzymuje się do cał kowitego zakoń czenia reakcji.

2. Urządzenie do otrzymywania mikrokrystalicznego tellurku kadmu posiadające piec wewnątrz którego znajduje się kwarcowa ampuła technologiczna znamienne tym, że ma piec /1/ o trzech strefach grzania, wewnątrz którego znajduje się kwarcowa ampuła technologiczna /2/, stabilizowana elementami pozycjonującymi /7/ zaopatrzonymi w otwory /8/, posiadająca trzy półotwarte komory ograniczone przewężeniami /3/ oraz zamknięcie /6/, przy czym każda z komór ampuły znajduje się w innej strefie grzania pieca.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że odległość między komorą, w której znajduje się kadm a komorą, w której znajduje się tellur wynosi 25 - 30 cm.