專利名稱:制備高純度Ⅱ-Ⅵ族化合物的新方法
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備，主要是半導(dǎo)體發(fā)光材料制備領(lǐng)域，可用于制備高純度的ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe。
現(xiàn)代顯示顯像技術(shù)的飛速發(fā)展，需要大量的發(fā)光材料和電光器件。人們廣泛采用Ⅱ-Ⅵ族的化合物如ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe做為制備發(fā)光材料和電光器件的原料。這些原料的純度高低對制得的發(fā)光材料和電光器件的性能影響極其嚴(yán)重。高純度是高質(zhì)量的原料的重要標(biāo)志之一。
現(xiàn)在，人們用元素直接反應(yīng)的方法來制備上述原料。用這種方法和用其它制備方法相比，制備上述原料的純度較高，但是，要低于反應(yīng)物(元素)的純度。
元素直接反應(yīng)方法的內(nèi)容是把反應(yīng)元素放入涂有炭黑的石英安瓶中。涂炭黑的目的是防止高溫下金屬元素與石英安瓶壁發(fā)生反應(yīng)。把石英安瓶抽真空到10-3～10-5乇時將其密封。把密封好的石英安瓶置于水平電爐中加熱到800～1000℃，維持1～2周的時間就可合成所需要的化合物。不過，這樣合成的化合物中常常含有雜質(zhì)，還要進(jìn)行分離提純才能最終獲得所需要的純度較高的化合物。(參見.例如，“K.Mochizuki et al.Japan J.Appl.phys.18(8).1447-1454(1979)”)。
用元素直接反應(yīng)方法時，由于長時間高溫反應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)致石英安瓶壁涂的炭黑脫落，或者石英安瓶壁與金屬元素反應(yīng)的生成物混入制得的化合物中，大大影響所制備的化合物的純度。即使經(jīng)過分離提純處理后，仍含有C、Al、Si、Na、Cu等有害雜質(zhì)。
其次，由于整個石英安瓶高溫加熱，其內(nèi)部壓力約高達(dá)十幾個大氣壓(硫或硒的蒸氣壓)。這樣，石英安瓶容易爆炸。
第三、這種方法反應(yīng)速度慢，合成化合物的周期長。
本發(fā)明提供了快速安全地制備高純度的ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe的新方法。
本發(fā)明的方法，內(nèi)容是把反應(yīng)元素放入一種“套管冷卻式”的容器中。所說的“套管冷卻式”容器是由內(nèi)管和外管構(gòu)成。內(nèi)管裝料后封閉再放入外管中。外管兩端各有一個開口。內(nèi)管管壁與外管管壁間留有足夠空隙。水或空氣可以通過外管的開口及內(nèi)管管壁與外管管壁間的空隙流動，從而能對內(nèi)管管壁進(jìn)行冷卻。內(nèi)管和外管均用非金屬的絕緣性材料制成的，內(nèi)管用石英，外管用玻璃為宜。
一般地說，鋅或鎘要比硫、硒、碲稍過量，比如鋅或鎘與硫、硒、碲的克原子比為1.1∶1。
用高頻感應(yīng)加熱法來加熱。加熱時把“套管冷卻式”容器放入高頻感應(yīng)爐的線圈中，所用的高頻感應(yīng)爐線圈是局部對反應(yīng)物加熱，所以，應(yīng)該使上述容器緩慢移動，使其由一端到另一端漸漸通過高頻感應(yīng)爐的線圈，反應(yīng)元素一部分一部分地被加熱到500～800℃，從而進(jìn)行化合反應(yīng)。這時，盛料的石英管內(nèi)部的壓力約為2-4個大氣壓(硫或硒的蒸氣壓)。其壓力遠(yuǎn)小于容器能承受的壓力。全部反應(yīng)只需要十幾到幾十分鐘。合成的化合物用與已知的用元素直接反應(yīng)法的分離提純法相同的辦法分離提純后，獲得化合物的純度不低于反應(yīng)元素的純度。
用高頻感應(yīng)爐加熱時，高頻感應(yīng)爐的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)隨要合成的化合物的多少即負(fù)載大小而進(jìn)行選擇。若合成0.1～1kg的化合物，高頻感應(yīng)爐的技術(shù)指標(biāo)如下燈絲電壓8～15V;
陽極電流0.5～3A;
柵流50～600mA。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.由于采用高頻感應(yīng)加熱法，從根本上改變了化合物半導(dǎo)體材料制備工藝中迄今為止一直使用電阻爐等外加熱式方法。高頻感應(yīng)加熱法只加熱反應(yīng)物，不加熱裝反應(yīng)物的容器，避免了傳統(tǒng)式外加熱法使容器被高溫加熱而使樣品沾污的現(xiàn)象，合成化合物的純度高。
2.采用局部加熱反應(yīng)結(jié)果，反應(yīng)容器內(nèi)壓力低，保證了操作的安全。另一方面局部加熱反應(yīng)實(shí)踐表明，反應(yīng)速度快，比已知的元素反應(yīng)法快1000多倍。提高了合成效率。
3.用“套管冷卻式”反應(yīng)容器時，裝料的石英管壁可以冷卻，因此，反應(yīng)溫度較低，不用涂炭黑保護(hù)石英管內(nèi)壁，既簡化了工藝程序，又有利于保證合成化合物的純度高。
本發(fā)明的合成方法同樣適用于合成Ⅲ-Ⅴ族材料和其它金屬間化合物。
本發(fā)明的實(shí)施例如下例1、如附圖所示，把純度為6個9的0.6克原子的鋅條①和0.5克原子的硫粒②，裝入φ20mm長250mm的石英安瓶③中，用高純氬氣對石英安瓶換氣幾次后抽真空，在真空度為2×10-5乇時將其密封后裝入φ40mm，長500mm的玻璃管④中。玻璃管④分為兩部分，目的是便于將石英安瓶③放入和取出。管④的兩部分采用磨口⑤聯(lián)接。⑥是小玻璃疙瘩，用來墊起石英安瓶③并且使之與管④間有空隙，把進(jìn)水管和排水管分別與管④的管口⑦和⑧接通。于是，流動的水則可以對石英安瓶③進(jìn)行冷卻。而石英安瓶③和套管④則構(gòu)成“套管冷卻式”裝料容器。
把通水后的“套管冷卻式”裝料容器放入高頻感應(yīng)爐的線圈⑨中。接通高頻感應(yīng)電沅后，線圈⑨開始對反應(yīng)元素加熱。所用的高頻感應(yīng)爐技術(shù)指標(biāo)如下燈絲電壓12V
陽極電流～1A柵流100～200mA。
把“套管冷卻式”容器按⑩的方向緩慢水平移動，大約每分鐘移動10mm左右。15分鐘左右全部反應(yīng)結(jié)束。取出制得的化合物經(jīng)過分離提純后其純度達(dá)6個9以上。用這種化合物制備單晶的低溫發(fā)光光譜表明不出現(xiàn)Si、Na、Al、Cu等雜質(zhì)譜線。
例2，如附圖所示，把0.12克原子的6個9鎘條①和0.1克原子的6個9碲粒②放入φ10mm長130mm石英安瓶③中。把石英安瓶用高純氮?dú)鈸Q氣幾次后抽真空，在真空度為10-5乇時把它密封。把密封的石英安瓶放入玻璃管④中。這時，石英安瓶③尺寸為φ10mm長130mm，玻璃管④尺寸是φ40mm長500mm。
把進(jìn)水管和排水管分別與玻璃管④的管口⑦和⑧接通后，把管④和石英安瓶③組成的“套管冷卻式”裝料容器放入高頻感應(yīng)爐的線圈⑧中。此時高頻感應(yīng)爐的技術(shù)指標(biāo)為燈絲電壓～10V陽極電流0.5A柵流50～100mA。
緩慢水平移動“套管冷卻式”裝料容器，大約需5分鐘全部反應(yīng)結(jié)束。經(jīng)分離提純后可獲得同反應(yīng)元素同樣級別純度的CdTe黑色粉末。
權(quán)利要求
1.一種用元素直接反應(yīng)來制備高純度ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe的方法，包括配料、裝料、加熱反應(yīng)、分離提純的制備方法，其特征是配料時要使金屬元素鋅或鎘比硫、硒、碲元素稍過量。把反應(yīng)元素裝入石英制成的“套管冷卻式”的容器中，加熱反應(yīng)過程中，此容器可以用水或空氣進(jìn)行冷卻，用高頻感應(yīng)爐來加熱反應(yīng)元素使之進(jìn)行化合反應(yīng)。
2.按照權(quán)利要求
1所說的制備方法，其特征是所說的“套管冷卻式”容器的裝料的石英管內(nèi)壁不用涂炭黑。
3.按照權(quán)利要求
2所說的制備方法，其特征是加熱反應(yīng)過程中“套管冷卻式”容器要水平放入高頻感應(yīng)爐的線圈中局部分段加熱反應(yīng)并要緩慢水平移動。
專利摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光材料制備領(lǐng)域?？芍苽涓呒兌鹊腪nS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe。
文檔編號C01B17/00GK85101849SQ85101849
公開日1986年7月30日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者黃錫珉 申請人:中國科學(xué)院長春物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan