本發(fā)明屬于光電子材料摻雜改性及制造領域，具體涉及cvdzns晶體材料的摻雜改性方法。

背景技術：

cvdzns光學晶體是一種重要的ⅱ-ⅵ族半導體材料，在8～12μm長波紅外波段具有良好的紅外透過率，在進行熱等靜壓處理后，在可見光、近紅外和中紅外波段也具有優(yōu)良的光學透過率，因此，可廣泛用于制備大功率紅外激光器窗口及紅外吊艙，高速飛行器紅外窗口和整流罩，以及汽車等其他批量應用的視覺增強系統(tǒng)中的多光譜光學透鏡。目前，全球范圍內(nèi)商業(yè)化應用zns光學材料的制備工藝，主要有zns粉末熱壓工藝和化學氣相沉積(cvd)工藝兩種，cvd工藝生長cvdzns具有光學性能優(yōu)良，純度高，均勻性好的優(yōu)點，而且可以生長出大尺寸以及平面或曲面等符合光學器件需求的形狀，后續(xù)開發(fā)的熱等靜壓技術，不僅提高了cvdzns晶體材料在8～12μm長波紅外波段的光學透過率，還將其光學透射波段擴展到可見波段，cvdzns在很大程度上取代了熱壓硫化鋅，成為制作多光譜光學元器件的主要首選材料，具有巨大的市場需求。

然而，對于cvdzns晶體材料，更多的關注點主要集中在提高其光學性能上，而忽略了其力學及機械性能。cvdzns晶體材料具有較差的力學性能和機械性能，事實上，目前通過cvd工藝生長的zns材料在沉積過程中其性能并沒有得到改善，研究表明，當將cvdzns進行退火或熱等靜壓等熱處理后，其在可見光、近紅外和中紅外波段的透過率雖然得到明顯提高，但該處理過程也導致了zns晶體材料內(nèi)晶粒的增大，使其變得更加柔軟，硬度和彎曲強度等力學及機械性能降低，進而降低其耐腐蝕性、抗熱沖擊性能，嚴重影響其光學系統(tǒng)在高速飛行以及在各種惡劣環(huán)境條件下的應用。因此，如何提高cvdzns晶體材料的力學性能，增強cvdzns晶體材料的機械強度，進而改善cvdzns晶體材料的耐腐蝕性、抗熱沖擊性能，是影響cvdzns晶體材料深入廣泛應用的最大屏障和難題，也是cvdzns晶體材料制備過程中改善材料性能方面所面臨的關鍵技術瓶頸和挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種雙面均勻沉積cvdzns塊體材料的設備，提出利用創(chuàng)新性的沉積基板結(jié)構和噴嘴結(jié)構，通過從沉積空間底部抽真空，控制氣流由下而上，再由上而下導流，使鋅蒸汽和硫化氫氣體均勻混合并沿沉積基板雙面均勻沉積，可一次制備得到9塊300×300×15mm的光學質(zhì)量均勻且厚度均勻的硫化鋅多晶塊體材料，既能制備出品質(zhì)好的硫化鋅多晶塊體材料，又可大大提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明采取的具體技術方案是一種cvdzns晶體材料的摻雜改性方法包括以下具體步驟：其工藝步驟具體包括：步驟1：(1)摻雜：在石墨坩堝中裝入原料鋅和一定質(zhì)量百分比濃度的摻雜劑金屬m或m與鋅合金zn-m，然后(2)熔化、混勻、冷卻：將石墨坩堝放入帶轉(zhuǎn)動裝置的加熱爐中，加熱熔化，混合均勻后冷卻，獲得用于化學氣相沉積的摻雜鋅原料；(3)生長：將石墨坩堝放入沉積爐中，按化學氣相沉積工藝完成晶體生長，獲得摻雜cvdzns晶體。步驟2：(1)按化學氣相沉積工藝完成晶體生長獲得cvdzns晶體；(2)將cvdzns進行表面研磨和拋光；(3)在cvdzns晶體的至少一個表面沉積一層金屬m膜或其硫化物m2sx膜，然后步驟3：將所得晶體材料在惰性氣體氣氛中進行恒溫恒壓熱處理。

在一種優(yōu)選的實施方式中，需要加入金屬鋅，還需要另外加入一種金屬m或其硫化物m2sx作為摻雜劑；

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，或其與鋅的合金鋅-鈦(zn-ti)、鋅-鎵(zn-ga)、鋅-銦(zn-in)、鋅-鋯(zn-zr)、鋅-鑭(zn-la)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m的純度為4n～8n。

在一種優(yōu)選的實施方式中，加入的摻雜劑金屬m的質(zhì)量百分比濃度為1～15％。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的熔化、混勻、冷卻在惰性氣氛中完成，完成條件為：溫度400～850℃，壓力為常壓，時間為6～36小時。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的表面拋光的等級在光學iv級及以上。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的金屬m膜為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，硫化物膜為硫化鈦(tis2)、硫化鎵(ga2s3)、硫化銦(in2s3)、硫化鋯(zrs2)、硫化鑭(la2s3)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的恒溫恒壓熱處理過程是在惰性氣氛中進行，完成條件為：溫度500～950℃，壓力50～200mpa，過程時間為30～600分鐘。

在本發(fā)明的實際應用中，無論是在化學氣相沉積前對鋅原料進行摻雜，還是在化學氣相沉積后對cvdzns進行鍍膜摻雜，都要將金屬m元素滲入到cvdzns晶體材料中，在cvdzns中形成金屬硫化物(m2sx)，然后再通過恒溫恒壓熱處理，zn-m-s組成三元化合物并以第二相的形式沉析出來，均勻的分布在cvdzns晶體材料中或其表面。從而實現(xiàn)對cvdzns材料組分和內(nèi)部結(jié)構的重組與調(diào)整，實現(xiàn)增強cvdzns晶體材料力學和機械性能的目的，同時對光學性能沒有明顯影響。如果是在化學氣相沉積前對原料進行摻雜，則摻雜的金屬硫化物會與zns一起沉積，如果是在化學氣相沉積后對cvdzns進行鍍膜摻雜，則金屬m或其硫化物m2sx沉積到cvdzns的表面上，在后續(xù)的恒溫恒壓熱處理過程中再滲透到硫化鋅晶體的表層，滲入的深度取決于處理過程的時間、壓強和溫度。

本發(fā)明在不降低材料紅外透過性能的前提下達到了增強cvdzns晶體材料力學和機械性能的效果，并將多晶微結(jié)構的成核控制在非常小的尺寸范圍內(nèi)，材料內(nèi)部的孔隙度減小，從而對cvdzns晶體材料的光學性能不會造成明顯的影響。

本發(fā)明的有益效果是通過摻雜技術和工藝，實現(xiàn)cvdzns晶體材料改性的目的。在不明顯影響其光學透過性能的前提下，使其力學性能增強，機械強度增大，進而提高和改善cvdzns晶體材料的耐腐蝕性、抗熱沖擊性能。

附圖說明

附圖1為未摻雜和摻雜的cvdzns晶體材料的紅外透過率曲線對比圖；

附圖2為不同摻雜劑摻雜cvdzns晶體材料在長波紅外波段的透過率曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提供一種雙面均勻沉積cvdzns塊體材料的設備，提出利用創(chuàng)新性的沉積基板結(jié)構和噴嘴結(jié)構，通過從沉積空間底部抽真空，控制氣流由下而上，再由上而下導流，使鋅蒸汽和硫化氫氣體均勻混合并沿沉積基板雙面均勻沉積，可一次制備得到9塊300×300×15mm的光學質(zhì)量均勻且厚度均勻的硫化鋅多晶塊體材料，既能制備出品質(zhì)好的硫化鋅多晶塊體材料，又可大大提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明采取的具體技術方案是一種cvdzns晶體材料的摻雜改性方法包括以下具體步驟：其工藝步驟具體包括：步驟1：(1)摻雜：在石墨坩堝中裝入原料鋅和一定質(zhì)量百分比濃度的摻雜劑金屬m或m與鋅合金zn-m，然后(2)熔化、混勻、冷卻：將石墨坩堝放入帶轉(zhuǎn)動裝置的加熱爐中，加熱熔化，混合均勻后冷卻，獲得用于化學氣相沉積的摻雜鋅原料；(3)生長：將石墨坩堝放入沉積爐中，按化學氣相沉積工藝完成晶體生長，獲得摻雜cvdzns晶體。步驟2：(1)按化學氣相沉積工藝完成晶體生長獲得cvdzns晶體；(2)將cvdzns進行表面研磨和拋光；(3)在cvdzns晶體的至少一個表面沉積一層金屬m膜或其硫化物m2sx膜，然后步驟3：將所得晶體材料在惰性氣體氣氛中進行恒溫恒壓熱處理。

在一種優(yōu)選的實施方式中，需要加入金屬鋅，還需要另外加入一種金屬m或其硫化物m2sx作為摻雜劑；

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，或其與鋅的合金鋅-鈦(zn-ti)、鋅-鎵(zn-ga)、鋅-銦(zn-in)、鋅-鋯(zn-zr)、鋅-鑭(zn-la)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，摻雜劑金屬m的純度為4n～8n。

在一種優(yōu)選的實施方式中，加入的摻雜劑金屬m的質(zhì)量百分比濃度為1～15％。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的熔化、混勻、冷卻在惰性氣氛中完成，完成條件為：溫度400～850℃，壓力為常壓，時間為6～36小時。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的表面拋光的等級在光學iv級及以上。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的金屬m膜為鈦、鎵、銦、鋯、鑭中的一種，硫化物膜為硫化鈦(tis2)、硫化鎵(ga2s3)、硫化銦(in2s3)、硫化鋯(zrs2)、硫化鑭(la2s3)中的一種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述的恒溫恒壓熱處理過程是在惰性氣氛中進行，完成條件為：溫度500～950℃，壓力50～200mpa，過程時間為30～600分鐘。

在本發(fā)明的實際應用中，無論是在化學氣相沉積前對鋅原料進行摻雜，還是在化學氣相沉積后對cvdzns進行鍍膜摻雜，都要將金屬m元素滲入到cvdzns晶體材料中，在cvdzns中形成金屬硫化物(m2sx)，然后再通過恒溫恒壓熱處理，zn-m-s組成三元化合物并以第二相的形式沉析出來，均勻的分布在cvdzns晶體材料中或其表面。從而實現(xiàn)對cvdzns材料組分和內(nèi)部結(jié)構的重組與調(diào)整，實現(xiàn)增強cvdzns晶體材料力學和機械性能的目的，同時對光學性能沒有明顯影響。如果是在化學氣相沉積前對原料進行摻雜，則摻雜的金屬硫化物會與zns一起沉積，如果是在化學氣相沉積后對cvdzns進行鍍膜摻雜，則金屬m或其硫化物m2sx沉積到cvdzns的表面上，在后續(xù)的恒溫恒壓熱處理過程中再滲透到硫化鋅晶體的表層，滲入的深度取決于處理過程的時間、壓強和溫度。

本發(fā)明在不降低材料紅外透過性能的前提下達到了增強cvdzns晶體材料力學和機械性能的效果，并將多晶微結(jié)構的成核控制在非常小的尺寸范圍內(nèi)，材料內(nèi)部的孔隙度減小，從而對cvdzns晶體材料的光學性能不會造成明顯的影響。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。