厚尺寸红外光学材料的制备方法

摘要

本公开提供了一种厚尺寸红外光学材料的制备方法。其包括骤：(S1)：以化学气相沉积法获得的红外光学材料为基板，研磨抛光；(S2)：对基板进行等离子清洗；(S3)：将基板放置于化学气相沉积炉的沉积室，向化学气相沉积炉中的坩埚内装入反应固体；(S4)：对化学气相沉积炉进行抽真空；(S5)：将沉积室温度缓慢升至600‑850℃之间；将坩埚的温度缓慢升至500‑800℃；(S6)：分别以反应固体的蒸气、反应气体为原料，以氩气作为反应固体的蒸气和反应气体的载气通入沉积室；(S7)：坩埚内的反应固体蒸发完毕，停止向沉积室通入反应气体，对沉积室和坩埚进行降温；(S8)：研磨抛光，然后放置于热等静压炉中，恒温恒压处理时间为40‑250h；(S9)：降温降压然后出炉。

权利要求

1.一种厚尺寸红外光学材料的制备方法，其特征在于，所述厚尺寸红外光学材料的制备方法是采用现有的化学气相沉积炉以及热等静压炉进行制备，包括步骤：(S1)：以化学气相沉积法获得的红外光学材料为基板，对基板进行研磨抛光，在该步骤中，基板为经由一次化学气相沉积直接得到的硫化锌产品，由于设备及工艺的限制，得到的基板的厚度为10mm‑30mm；

(S2)：对基板进行等离子清洗；

(S3)：将基板放置于化学气相沉积炉的沉积室中，向化学气相沉积炉中的坩埚内装入高纯度的反应固体，所述反应固体为锌；

(S4)：对化学气相沉积炉进行抽真空；

(S5)：将沉积室温度缓慢升至600‑850℃之间；将坩埚的温度缓慢升至500‑800℃，其中坩埚内的反应固体转化为蒸气；

(S6)：分别以反应固体的蒸气、反应气体为原料，所述反应气体为硫化氢，以氩气作为反应固体的蒸气和反应气体的载气通入沉积室，其中，携带反应气体的氩气的流量与反应气体流量的比例范围为10‑25；携带蒸气的氩气的流量与蒸气流量的比例范围为3‑10；在沉积过程中，反应固体的蒸气与反应气体的摩尔比例为1.0‑1.5；

(S7)：坩埚内的反应固体蒸发完毕，停止向沉积室通入反应气体，对沉积室和坩埚进行降温，得到厚尺寸板料，在步骤(S7)中，得到的厚尺寸板料的厚度为30‑60mm；

(S8)：对厚尺寸板料研磨抛光，然后放置于热等静压炉中进行热等静压处理，恒温恒压处理时间为40‑250h；

(S9)：处理结束后对热等静压炉降温降压然后出炉，最终获得厚尺寸红外光学材料，在步骤(S9)中，厚尺寸红外光学材料的厚度为30‑60mm。

2.根据权利要求1所述的厚尺寸红外光学材料的制备方法，其特征在于，在步骤(S1)中，经过研磨抛光的基板的粗糙度小于Ra12.5。

3.根据权利要求1所述的厚尺寸红外光学材料的制备方法，其特征在于，在步骤(S5)中，沉积室的升温速率为0.2℃‑1.5℃/min；坩埚的升温速率为0.5℃‑3℃/min。

4.根据权利要求1所述的厚尺寸红外光学材料的制备方法，其特征在于，在步骤(S6)中，在沉积过程中，氩气携带的反应固体蒸气与氩气携带的反应气体在沉积室内发生化学反应生成生成物，控制生成物的沉积速率为20‑100μm/h。

说明书

厚尺寸红外光学材料的制备方法

技术领域

[0001] 本公开涉及化工技术领域，尤其涉及一种厚尺寸红外光学材料的制备方法。

背景技术

[0002] 硫化锌(ZnS)是除金刚石外唯一的透射波段覆盖可见光到长波红外全波段的红外光学材料，有着较强的光谱适应性，并且机械强度高、耐湿性好、抗热冲击性能良好，其化学性能稳定，线膨胀系数适中，与许多金属或合金较接近，因而被认为是目前一种较好的红外光学材料。

[0003] 目前制备ZnS的主要方法为化学气相沉积法(CVD法)，使用化学气相沉积设备(真空炉)，真空炉自下而上设有坩埚和沉积室，坩埚用于盛放锌料，沉积室用于反应物发生化学反应；以固体锌和H2S气体为原料，以氩气(Ar)作为载气，通过真空泵对设备抽真空，设备内的沉积压力控制在3000‑10000pa之间。在500‑800℃的温度范围内将坩埚内的固体Zn蒸发为Zn蒸气，由氩气携带进入沉积室内，与同样由氩气携带进入到沉积室的H2S气体在600‑850℃温度范围内发生化学反应得到ZnS，锌与硫化氢的摩尔比控制在1:1至1.5:1之间，ZnS分子沉积到石墨衬底上，不断生长。

[0004] 在上述工艺中，由于固体锌原料投放在真空炉内的坩埚中，当锌料蒸发干，沉积即结束无法继续沉积生长，炉内装载的锌料量受限于坩埚的容积，不能生长较厚尺寸的硫化锌产品；此外，要获得的硫化锌产品越厚，则沉积所需要的时间越长，这将对整个沉积系统设备运行的稳定性存在极大的考验，一旦其中某个关键系统设备出故障，产品将无法继续生长，不得不停止沉积。

发明内容

[0005] 鉴于背景技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种厚尺寸红外光学材料的制备方法，其能够制备厚尺寸红外光学材料，且制备出的厚尺寸红外光学材料质量好，能够消除二次沉积在界面处出现的缺陷。

[0006] 为了实现上述目的，本公开提供了一种厚尺寸红外光学材料的制备方法，其包括步骤：(S1)：以化学气相沉积法获得的红外光学材料为基板，对基板进行研磨抛光；(S2)：对基板进行等离子清洗；(S3)：将基板放置于化学气相沉积炉的沉积室中，向化学气相沉积炉中的坩埚内装入高纯度的反应固体；(S4)：对化学气相沉积炉进行抽真空；(S5)：将沉积室温度缓慢升至600‑850℃之间；将坩埚的温度缓慢升至500‑800℃，其中坩埚内的反应固体转化为蒸气；(S6)：分别以反应固体的蒸气、反应气体为原料，以氩气作为反应固体的蒸气和反应气体的载气通入沉积室，其中，携带反应气体的氩气的流量与反应气体流量的比例范围为10‑25；携带蒸气的氩气的流量与蒸气流量的比例范围为3‑10；在沉积过程中，反应固体的蒸气与反应气体的摩尔比例为1.0‑1.5；(S7)：坩埚内的反应固体蒸发完毕，停止向沉积室通入反应气体，对沉积室和坩埚进行降温，得到厚尺寸板料；(S8)：对厚尺寸板料研磨抛光，然后放置于热等静压炉中进行热等静压处理，恒温恒压处理时间为40‑250h；(S9)：处理结束后对热等静压炉降温降压然后出炉，最终获得厚尺寸红外光学材料。

[0007] 在一实施例中，所述反应气体为硫化氢，反应固体为锌。

[0008] 在一实施例中，在步骤(S1)中，基板的厚度为10‑30mm，经过研磨抛光的基板的粗糙度小于Ra12.5。

[0009] 在一实施例中，在步骤(S5)中，沉积室的升温速率为0.2℃‑1.5℃/min；坩埚的升温速率为0.5℃‑3℃/min。

[0010] 在一实施例中，在步骤(S7)中，得到的厚尺寸板料的厚度为30‑60mm。

[0011] 在一实施例中，在步骤(S9)中，厚尺寸红外光学材料的厚度为30‑60mm。

[0012] 在一实施例中，在步骤(S6)中，在沉积过程中，氩气携带的反应固体蒸气与氩气携带的反应气体在沉积室内发生化学反应生成生成物，控制生成物的沉积速率为20‑100μm/h。

[0013] 本公开的有益效果如下：在根据本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法中，在一次化学气相沉积的产品上进行二次沉积，得到相比于一次化学气相沉积的产品更厚的厚尺寸板料，然后对二次化学气相沉积的厚尺寸板料进行热等加压处理，能够有效地消除厚尺寸板料的内部缺陷，由此，本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法能够制备厚尺寸红外光学材料，且制备出的厚尺寸红外光学材料质量好，有效地消除了二次沉积的厚尺寸板料在界面处的缺陷。

具体实施方式

[0014] 根据本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法是采用现有的化学气相沉积炉以及热等静压炉进行制备，包括步骤：

[0015] (S1)：以化学气相沉积法获得的红外光学材料为基板，对基板进行研磨抛光。在该步骤中，基板为经由一次化学气相沉积直接得到的产品，由于设备及工艺的限制，得到的基板的厚度为10mm‑30mm。经过研磨抛光的基板的粗糙度小于Ra12.5。

[0016] (S2)：对基板进行等离子清洗，能够有效地去除基板表面的杂质。

[0017] (S3)：将基板放置于化学气相沉积炉的沉积室中，向化学气相沉积炉中的坩埚内装入高纯度的反应固体。具体地，高纯度的反应固体的纯度为99.999％。在一实施例中，反应固体为高纯度的锌锭。

[0018] (S4)：对化学气相沉积炉进行抽真空，捡漏，将沉积室内压力值控制在3000‑10000Pa。

[0019] (S5)：将沉积室温度缓慢升至600℃‑850℃之间，升温速率为0.2℃‑1.5℃/min；将坩埚的温度缓慢升至500‑800℃，升温速率为0.5℃‑3℃/min，其中当坩埚的温度升至500‑800℃时，坩埚内的反应固体转化为蒸气。在一实施例中，坩埚为石墨坩埚。

[0020] (S6)：分别以反应固体的蒸气、反应气体为原料，以氩气作为反应固体的蒸气的载气以及反应气体的载气通入沉积室，其中，携带反应气体的氩气的流量与反应气体流量的比例范围为10‑25；携带反应固体的蒸气的氩气的流量与蒸气流量的比例范围为3‑10；在沉积过程中，反应固体的蒸气与反应气体的摩尔比为1.0‑1.5，氩气携带的反应固体蒸气与氩气携带的反应气体在沉积室内发生化学反应生成生成物，控制生成物的沉积速率为20‑100μm/h。在一实施例中，反应气体为硫化氢，反应固体为锌。由此，携带硫化氢的氩气的流量与硫化氢流量比为Ar:H2S＝10‑25；携带锌蒸气的氩气的流量与锌蒸气流量比为Ar:Zn＝3‑10；锌蒸气与硫化氢的摩尔比Zn:H2S＝1.0‑1.5。通入的氩气的纯度为99.999％，锌锭的纯度为99.999％，硫化氢的纯度为99.999％。

[0021] (S7)：坩埚内的原料蒸发完毕，停止向沉积室通入反应气体，对沉积室和坩埚进行降温，得到厚尺寸板料。得到的厚尺寸板料的厚度为30‑60mm。即，厚尺寸板料的厚度等于新沉积的反应物的厚度与步骤(S1)中的基板的厚度之和，由此，通过二次沉积得到了一次化学气相沉积无法获得的厚尺寸的板料。

[0022] (S8)：对厚尺寸板料研磨抛光，然后放置于热等静压炉中进行热等静压处理，恒温恒压处理时间为40‑250h。热等静压处理的处理温度为800℃‑1100℃，压力为100‑150MPa。热等静压技术能够使板料的全部表面在高温中的各向均衡地经受气体的压力，能够有效地减少或消除板料在一次沉积与二次沉积的界面交界处的微孔、分层等缺陷，从而获得致密性好、一致性高的厚尺寸红外光学材料。

[0023] (S9)：处理结束后对热等静压炉降温降压然后出炉，最终获得厚尺寸红外光学材料。具体地，获得的厚尺寸红外光学材料的厚度为30‑60mm。

[0024] 在根据本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法中，直接在一次化学气相沉积的产品上进行二次沉积，得到相比于一次化学气相沉积的产品更厚的厚尺寸板料，然后对二次化学气相沉积的厚尺寸板料进行热等加压处理，能够有效地消除厚尺寸板料的内部缺陷，由此，本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法能够制备厚尺寸红外光学材料，且制备出的厚尺寸红外光学材料质量好，有效地消除了二次沉积的厚尺寸板料在界面交界处的缺陷。

[0025] 下面利用本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法，以反应气体为高纯硫化氢、反应固体为高纯锌锭来制备厚尺寸的多光谱硫化锌材料。

[0026] 在实施例1中，将原生硫化锌平板(一次沉积的硫化锌基板)经过切割、研磨、抛光，得到粗糙度为Ra0.4，规格250×250×20mm的平板，经过等离子清洗后，安装在化学气相沉积炉的石墨沉积器中，向坩埚内装入高纯度5N的锌料，约200KG，合炉，对沉积炉抽真空保压，检漏，炉子压升率合格后，通入高纯5N的氩气，开始程序升温，维持炉内的真空压力6000Pa，坩埚升温速率0.5℃/min，目标升温至630℃。沉积室升温速率0.7℃/min，目标升温至680℃，向坩埚中通入用于携带锌蒸气的高纯氩气流量30L/min，锌的蒸发速率控制在3L/min左右，氩气与锌蒸气的流量比Ar：Zn＝10；用于稀释硫化氢的高纯氩气流量30L/min，硫化氢流量2.7L/min，氩气与硫化氢的流量比Ar：H2S＝11.1，沉积室到达沉积温度后，通入硫化氢和锌蒸气开始沉积，坩埚的锌蒸发完，沉积完成，坩埚和沉积室降温至室温，降温过程中通入少量硫化氢(使得沉积室中的锌蒸气被消耗完)，坩埚降温速率0.35℃/min，沉积室降温速率0.3℃/min，出炉后可以得到厚度40mm以上的二次沉积的厚尺寸硫化锌板料。将二次沉积的硫化锌板料研磨抛光，得到粗糙度Ra12.5、尺寸240×240×40mm的硫化锌板料；将此板料安装到热等静压炉中；给热等静压炉升温加压；达到目标850℃，压力140MPa；在此温度下恒温恒压120小时；降温降压出炉后得到40mm厚的多光谱硫化锌平板。利用该方法成型的硫化锌平板的厚度为40mm，且具有较强的光谱适应性，符合产品的厚度及性能的要求。

[0027] 在实施例2中，将原生硫化锌平板经过切割、研磨、抛光，得到粗糙度为Ra0.4，规格250×250×25mm的基板，经过等离子清洗后，投入安装在化学气相沉积炉的石墨沉积器中，向坩埚内装入高纯度5N锌料，大约200KG，合炉，抽真空保压，检漏，炉子压升率合格后，通入高纯5N氩气，开始程序升温，维持真空压力6000Pa，坩埚升温速率0.5℃/min，目标升温至
650℃。沉积室升温速率0.7℃/min，目标升温至690℃，通入坩埚中携带锌蒸气的高纯氩气流量30L/min，锌的蒸发速率控制在3.5L/min左右，流量比Ar：Zn＝8.5，用于稀释硫化氢的高纯氩气流量30L/min，硫化氢流量3L/min，Ar：H2S＝10，到达沉积温度后，通入硫化氢和锌蒸气开始沉积，坩埚的锌蒸发完，沉积完成，坩埚和沉积室降温至室温，过程中通入少量硫化氢；坩埚降温速率0.35℃/min，沉积室降温速率0.3℃/min，出炉后可以得到厚度45mm以上的二次沉积的厚尺寸硫化锌板料。将二次沉积的厚尺寸硫化锌板料研磨抛光，得到粗糙度Ra12.5、尺寸240×240×45mm的厚尺寸硫化锌板料；将此板料安装到热等静压炉中；给热等静压炉升温加压；达到目标850℃，压力140MPa；在此温度下恒温恒压150小时；降温降压出炉后得到45mm厚的多光谱硫化锌平板。利用该方法成型的硫化锌平板的厚度为45mm，且具有较强的光谱适应性，符合产品的厚度及性能的要求。

[0028] 在实施例3中，将原生硫化锌平板经过切割、研磨、抛光，得到粗糙度为Ra0.4，规格220×220×30mm的基板，经过等离子清洗后，投入安装在化学气相沉积炉的石墨沉积器中，向坩埚内装入高纯度5N锌料，大约200KG，合炉，抽真空保压，检漏，炉子压升率合格后，通入高纯5N氩气，开始程序升温，维持真空压力6000Pa，坩埚升温速率0.5℃/min，目标升温至
650℃。沉积室升温速率0.7℃/min，目标升温至690℃，通入坩埚中携带锌蒸气的高纯氩气流量30L/min，锌的蒸发速率控制在3.3L/min左右，流量比Ar：Zn＝9，用于稀释硫化氢的高纯氩气流量30L/min，硫化氢流量3L/min，Ar：H2S＝10：1，到达沉积温度后，通入硫化氢开始沉积，坩埚的锌蒸发完，沉积完成，坩埚和沉积室降温至室温，过程中通入少量硫化氢；坩埚降温速率0.35℃/min，沉积室降温速率0.3℃/min，出炉后可以得到厚度50mm以上的二次沉积的厚尺寸硫化锌板料。将二次沉积的厚尺寸硫化锌板料研磨抛光，得到粗糙度Ra12.5、尺寸200×200×50mm的厚尺寸硫化锌板料；将此板料安装到热等静压炉中；给热等静压炉升温加压；达到目标850℃，压力140MPa；在此温度下恒温恒压180小时；降温降压出炉后得到
50mm厚的多光谱硫化锌平板。利用该方法成型的硫化锌平板的厚度为50mm，且具有较强的光谱适应性，符合产品的厚度及性能的要求。

[0029] 从上述的三个实施例可以看出，利用本公开的厚尺寸红外光学材料的制备方法，通过二次化学气相沉积法与热等静压技术相结合，能够有效地制备出厚尺寸、高质量的多光谱硫化锌材料，避免了化学气相沉积设备对沉积产品厚度的限制，提高了生产效率。