СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ТЕЛЛУРИДА ЦИНКА-КАДМИЯ ХОЛОДНЫМ ПРЕССОВАНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК C30B28/02 C30B29/48 B01J3/00 

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов на основе теллурида цинка-кадмия и может использоваться для получения объемного материала высокой плотности и механической твердости, изготавливаемого из нанопорошка для заготовок и изделий, в частности детекторов ионизирующих излучений.

Механическая твердость является эксплуатационной характеристикой материалов, работающих в области физики высоких энергий. Это свойство важно при создании полупроводниковых приборов, а именно при закреплении изделий в обоймы (оправки) и при нанесении контактов. У Cd_1-xZn_xTe, полученного известными способами, твердость низкая - на уровне 450 МПа.

Известен способ получения объемного кристаллического теллурида цинка-кадмия выращиванием из расплава в атмосфере аргона [Н.J. von Bardeleben, T.Arnoux, С.Launay. intrinsic Defects in Photorefractive Buil CdTe and ZnCdTe. Journal of Crystal Growth, 1999, v.197, pp.718-723] - аналог. Этот метод позволяет получить монокристаллы, механическая твердость которых невысока: микротвердость по Виккерсу (измеренная на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине) составляет 450 МПа.

Известен способ выращивания объемных кристаллов теллурида цинка-кадмия из расплава в условиях контролируемых парциальных давлениий паров компонентов над расплавом [Wanwan Li, Wenbin Sang, Jihna Min, Fang Yu, Bin Zhang and Kunsu Wang. Cd_1-xZn_xTe Crystal Growth Controlied by Cd/Zn Partia) Pressures. Semiconductor Science and Technology, 2002, v.17, p.L55-L58] - аналог. Этот способ получения теллурида цинка-кадмия имеет тот же недостаток, а именно низкую микротвердость на уровне 450 МПа.

Помимо указанного недостатка перечисленные способы получения объемных кристаллов Cd_1-xZn_xTe не обеспечивают получения постоянного химического состава по всей длине кристалла в связи с различием коэффициентов диффузии компонентов в паровой фазе. Прилагаемые давления атмосферы инертного газа либо контроль давления паров компонентов позволяют лишь частично устранить этот недостаток.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения селенида цинка [Ch.В.Willingham, J.Pappis. Optical Element, Especialy of Zinc Sulphide or Selenide, Having improved Optical Quality. UK Patent Application No GB 2090237 A, 1982] - прототип. Способ включает горячее изостатическое прессование при температурах в диапазоне 700-1050°С и давлениях 34-205 МПа кристаллов ZnSe, полученных методом химического осаждения из газовой фазы. Сравнение способов получения теллурида цинка-кадмия и селенида цинка оправдано, поскольку оба они относятся к ряду соединений А^IIВ^VI, и их физико-химические свойства весьма близки между собой [N.N.Kolesnikov, R.В.James, N.S.Berzigiarova, М.P.Kulakov. HPVB and HPVZM Shaped Growth of CdZnTe, CdSe and ZnSe Crystals. Proceedings of SPIE: X-Ray and Gamma-Ray Detectors and Applications IV, Editors: R.B.James, L.A.Frank, A.Burger, E.M.Westbrook, R.D.Durst. 2002, v.4784, pp.93-104]. Микротвердость ZnSe составляет 720 МПа. Горячее изостатическое прессование повышает плотность материала и частично предотвращает образование пор, тем самым позволяя улучшить некоторые оптические характеристики, например пропускание света в инфракрасном диапазоне. К недостаткам этого способа относится высокая стоимость изготовления и эксплуатации высокотемпературных газостатов. Кроме того, соединения А^IIВ^VI, к которым относятся теллурид цинка-кадмия и ZnSe, частично разлагаются на компоненты при температурах 300°С и выше, что вызывает нарушение стехиометрии этих веществ. Поэтому прессование таких материалов при высоких температурах нежелательно, т.к. контроль химического состава усложняет процесс и повышает стоимость получения материала. Прессование соединений А^IIВ^VI на воздухе при температурах 300°С и выше невозможно, т.к. эти вещества в таких условиях окисляются кислородом воздуха. Кроме того, изостатическое прессование материалов А^IIВ^VI ведется в течение 3 часов и более, что также повышает стоимость и снижает производительность процесса. Помимо этого, при обработке материалов давлением при повышенных температурах могут происходить процессы динамического отдыха и рекристаллизации, что приводит к снижению механической твердости за счет роста зерен и уменьшения внутренних напряжений.

Таким образом, известные способы получения кристаллов типа А^IIВ^VI не позволяют получать объемный теллурид цинка-кадмия с высокой механической твердостью и постоянным стехиометрическим составом.

Поскольку теллурид цинка-кадмия предназначен, в частности, для использования в детекторах ионизирующих излучений, одной из его рабочих характеристик является механическая твердость, высокие значения которой важны при нанесении контактов и при закреплении изделий в обоймы (оправки), и постоянный химический состав, обеспечивающий стабильность свойств данного материала.

Задачей данного изобретения является получение объемного теллурида цинка-кадмия, обладающего высокой механической твердостью и заданным составом.

Эта задача решается в предлагаемом способе получения объемного теллурида цинка-кадмия прессованием полученного методом осаждения из газовой фазы нано-кристаллического порошка с размерами частиц 10 нм при температурах от +20 до +25°С на воздухе, при давлении прессования 350-500 МПа в течение 1-10 минут.

Выбор размера частиц обусловлен достижением высоких показателей твердости. При прессовании порошка с размером зерен 300 нм твердость существенно ниже, чем в случае прессования нанопорошка (строка 1 таблицы 1).

Интервал давлений, при которых происходит прессование, оптимален для достижения высоких показателей твердости теллурида цинка-кадмия. При давлениях ниже 350 МПа твердость ниже, чем в указанном интервале (строка 2 таблицы 1), а при еще более низких давлениях материал не удается спрессовать. При давлениях 350-500 МПа и выдержке под давлением в течение 1-10 мин. достигается максимальная для данного состава твердость (строки 3, 4, 5 таблицы 1) При давлении выше 500 МПа твердость остается на том же уровне (строка 6 таблицы 1).

Выбор комнатной температуры прессования обусловлен тем, что при повышенных температурах может происходить диссоциация соединения Cd_1-xZn_xTe, приводящая к изменению состава материала и, следовательно, его свойств. Прессование при комнатной температуре позволяет сохранить постоянным состав керамики, эквивалентный составу исходного порошка. Кроме того, при повышенных температурах возможны процессы динамического отдыха и рекристаллизации, что приводит к снижению механической твердости за счет роста зерен (строка 7 таблицы 1). Помимо этого, горячее прессование требует дополнительных затрат на оборудование. Таким образом, изготовление керамики из нанопорошка теллурида цинка-кадмия при высоких температурах нецелесообразно.

Прессование ведется в пресс-форме с применением одного пуансона. При этом в данном способе прессования не используются пластификаторы и смазки. Такой процесс является простым и экономичным, кроме того, отсутствие пластификаторов и смазки предотвращает загрязнение полученного материала инородными примесями.

Выбор интервала времени прессования является оптимальным для достижения высокой твердости материала. При времени, меньшем 1 мин, не достигается однородности структуры и свойств теллурида кадмия по сечению и объему образца материала. При увеличении времени выдержки свыше 10 мин (строка 8 таблицы 1) не наблюдается дальнейшего повышения твердости, а при увеличении времени выдержки под давлением свыше 30 мин материал стремится к расслоению (строка 9 таблицы 1).

Различие химического состава керамики теллурида цинка-кадмия оказывает влияние на значение твердости (строки 10, 11, 12 таблицы 1).

Таблица 1NСостав керамикиДавление прессования, МПаВремя прессования, минТ °СДиаметр частиц кадмий-цинк-теллур, нмТвердость материала, МПа1Cd_0.9Zn_0.1Te4505+203006602Cd_0.9Zn_0.1Te3005+20108303Cd_0.9Zn_0.1Te35010+201011364Cd_0.9Zn_0.1Te4502+251011305Cd_0.9Zn_0.1Te5001+251011406Cd_0.9Zn_0.1Te6005+201011407Cd_0.9Zn_0.1Te4505+200608068Cd_0.9Zn_0.1Te45020+201010309Cd_0.9Zn_0.1Te40040+2010расслоение10Cd_0.8Zn_0.2Te40010+2510153611Cd_0.7Zn_0.3Te4005+2010175112Cd_0.96Zn_0.04Te4005+20101008

Предложенный способ позволяет получить объемный теллурид цинка-кадмия заданного состава Cd_1-xZn_xTe, плотность которого составляет 94-95% рентгеновской плотности CdTe. Микротвердость по Виккерсу полученного таким способом объемного теллурида цинка-кадмия изменяется в пределах 1108-1751 МПа, в зависимости от состава керамики (строки 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 таблицы 1). Это в 1,5-2 раза превышает микротвердость кристаллов, изготовленных известными способами (таблица 2).

Таблица 2Состав кристалла или керамикиМикротвердость кристалла, выращенного из расплава, МПаМикротвердость керамики из нанопорошка, МПаCd_0.96Zn_0.04Те6301008Cd_0.9Zn_0.1Те7101136Cd_0.8Zn_0.2Те9671536Cd_0.7Zn_0.3Те12511751Cd_0.6Zn_0.4Те13301852

Пример 1

Нанопорошок теллурида цинка-кадмия Cd_0.96Zn_0.04Те со средним размером частиц 10 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 400 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 5 мин при температуре +20°С на воздухе. После снятия нагрузки полученный образец диаметром 10 мм и высотой 3 мм извлекали и измеряли его микротвердость на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине. Микротвердость составляла 1130 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.

Пример 2

Нанопорошок теллурида цинка-кадмия Cd_0.8Zn_0.2Те со средним размером частиц 10 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 350 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 10 мин при температуре +20°С на воздухе. После снятия нагрузки полученный образец диаметром 10 мм и высотой 3 мм извлекали и измеряли его микротвердость на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине. Микротвердость составляла 1536 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.

Пример 3

Нанопорошок теллурида цинка-кадмия Cd_0.6Zn_0.4Те со средним размером частиц 10 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 500 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 2 мин при температуре +25°С на воздухе. После снятия нагрузки полученный образец диаметром 10 мм и высотой 3 мм извлекали и измеряли его микротвердость на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине. Микротвердость составляла 1862 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.

Пример 4

Нанопорошок теллурида цинка-кадмия Cd_0.96Zn_0.04Те со средним размером частиц 10 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 400 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 1 мин при температуре +20°С на воздухе. После снятия нагрузки полученный образец диаметром 10 мм и высотой 3 мм извлекали и измеряли его микротвердость на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамиды с углом 136° при вершине. Микротвердость составляла 1008 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.

Способ получения объемного теллурида цинка-кадмия прессованием разработан и опробован в Институте физики твердого тела РАН.

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов и может использоваться для получения объемного материала с высокой механической твердостью. Сущность изобретения состоит в том, что нанопорошок теллурида цинка-кадмия со средним размером частиц 10 нм загружают в пресс-форму и помещают в камеру пресса. Образец нагружают до давления 350-500 МПа при температурах от +20 до +25°С, а затем выдерживают под давлением в течение 1-10 мин. При этом получают материал, твердость которого составляет 1010-1860 МПа, что превышает твердость полученных известными способами кристаллов теллурида цинка-кадмия не менее чем в 2 раза. 2 табл.

Способ получения объемного теллурида цинка-кадмия прессованием, отличающийся тем, что прессованию подвергают нанокристаллический порошок теллурида цинка-кадмия с размером частиц 10 нм при температуре от +20 до +25°С на воздухе при давлении прессования 350-500 МПа в течение 1-10 мин.