硫化锌硬度的增加制造技术

硫化锌硬度的增加。提供了一种组合物，所述组合物包含硫化锌和0.5摩尔％至10摩尔％选自硒、镓、铝和硅的一种或多种掺杂物。

【技术实现步骤摘要】
硫化锌硬度的增加
本专利技术涉及增加硫化锌硬度。更特别地，本专利技术涉及通过添加选择量的特定掺杂物至硫化锌中，增加硫化锌硬度的同时基本上不牺牲硫化锌的光学性能。
技术介绍
诸如硫化锌的材料是红外(IP)部件(例如可能会达到超音速的高速航空器的窗口或者圆顶)非常需要的材料，这是因为它们从可见光至长波红外(LWIR)波段区域(即0.6μm-14μm)的高透过性。通常，通过硫化锌的透过性可从约60％至更高。然而，硫化锌还相对较软，这使得它不适用于高速航空器。这些部件必须承受雨水和沙的影响，而且在所需的波长波段提供高透过性。但是，硫化锌通常在雨水和沙冲击下遭受相当大的损害，这导致透过性的损失并随之增加散射。散射通常是一个物理过程，其中在其通过的介质中的一个或多个局部不均匀物质迫使诸如光或者移动粒子的辐射偏离直线轨道。一般来说，雨水腐蚀测试是在2mm公称降落直径的人工降雨区域，降雨速度约25.4mm/hr且碰撞样品速率约210米/秒下进行，暴露时间约20分钟。典型的测试为俄亥俄州代顿市的WrightPatterson空军基地的代顿大学研究学院实施的WhirlingArmRainRig测试。实施在硫化锌上的测试显示，当暴露于上述降雨区域5分钟或更长时间时，硫化锌经受了相当大的损伤。为提高硫化锌的耐受性，在硫化锌红外窗口施加硬质或耐受材料涂层，诸如类金刚石、氧化铝、氮化硼和磷化镓。涂层材料的选择取决于所需的特定的透光波段。但是，涂层可能具有粘结性问题和在硫化锌部件表面的不均匀。部件尺寸和形状的多样性(例如在表面上的非常规角度)让涂层施加困难。当涂层的厚度增加或者当沉积涂层的部件尺寸变化时，涉及材料的许多物理性能。通常，由于涂层厚度的改变以及部件尺寸的变化，涉及应力(诸如拉伸应力和压缩应力)，其效果是不可预测的。因此，需要增加硫化锌的硬度，其能经受住整个过程中雨水与沙的腐蚀并在所需的波长波段透光及在高速航空器中耐用。
技术实现思路
一种组合物，包括硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物。一种方法，包括提供锌源、硫源和选自硒、镓、铝和硅的一种多种的掺杂物；在含惰性气体的化学气相沉积腔室中，注入0.2-1slpm锌气体源，0.1-0.9slpm硫气体源，及0.01slpm-0.1slpm硒、镓、铝和硅气体中的一种或多种源，化学气相沉积腔体的压力范围为20-50Torr；在基体上化学气相沉积一层或多层组合物层，组合物包括硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％的选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物，基体温度为600℃-800℃。部件包括基体和一层或多层组合物层，组合物含硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物。硫化锌和以0.5摩尔％-10摩尔％的量含有的一种或多种掺杂物的组合物，增加了硫化锌的硬度，所以可以不用保护层。以特定的含量掺入一种或多种选择的掺杂物并不牺牲硫化锌的光学性能。该组合物能经受雨水和沙腐蚀，及在8μm-12μm长波红外区域透光，因此它们能用于制备高速航空器的窗口和圆顶。附图说明图1描述了含有采用掺杂硫化锌层涂覆的基体的部件；图2描述了含有采用多层掺杂硫化锌层涂覆的基体的部件；图3描述了含有交替的基体层与掺杂硫化锌层的部件；具体实施方式除非文中另有说明，本说明书全文所采用的下列缩写具有如下含义：℃＝摄氏度；IR＝红外线；LWIR＝长波红外线；gm＝克；kg＝千克；m＝米；cm＝厘米；mm＝毫米；μm＝微米；nm＝纳米；Knoop＝kg/mm2；slpm＝每分钟标准升；hr＝小时；Torr＝1mmHg＝133.322368帕斯卡；psi＝磅/英寸2＝0.06805atm(大气压)；1atm＝1.01325×106达因/cm2；ASTM＝美国标准测试方法；CVD＝化学气相沉积；以及PVD＝物理气相沉积。术语“化学计量”是指化学反应元素按特定比例组合，而且反应物的每种元素的含量和产品中每种元素的相同。术语“模量”是指特定物质的特定性能的系数。术语“一”和“一个”可以指单个和多个。除了数值范围逻辑上限制为总量100％，所有数值范围可以按任何方式包含或结合。基于掺杂硫化锌计，组合物包括0.5摩尔％-10摩尔％的选自硒、镓、铝和硅的一种或多种掺杂物掺杂的硫化锌。掺杂物的添加增加了硫化锌的硬度，并且同时基本上没有牺牲硫化锌的光学性能，例如透光率、折射率、反射率和吸收率。掺杂硫化锌硬度的提高，能够使硫化锌更好的耐受由高速雨滴和诸如沙子的固体粒子引起的磨损，并仍然保持它的光学性能。优选地，结合在硫化锌内的掺杂物含量为1摩尔％-6摩尔％，更优选的1.5摩尔％-3摩尔％。优选地，掺杂物选自硒、镓和铝中的一种或多种，更优选地，掺杂物选自硒和镓中的一种或多种，最优选地，掺杂物为硒。当结合两种或多种掺杂物到硫化锌中时，优选地其中一种掺杂物为硒。优选地，硒与其它掺杂物含量相同，更优选地，硒掺杂物占主要，而且与其它掺杂物相比以更多含量结合。虽然不受理论束缚，但结合一种或多种掺杂物到硫化锌中涉及硫化锌晶格中锌原子或硫原子与掺杂物原子的置换。例如，如果硒结合到硫化锌晶格中，每个硒原子取代一个硫原子。如果镓、铝或硅结合到硫化锌晶格中，每个镓、铝或硅原子取代一个锌原子。锌或者硫原子置换为掺杂物原子中的一个，导致硫化锌晶格的错配，因此改变了晶格的机械性能，例如增加了硫化锌的硬度。普遍认为，由掺杂物的错配引起的硫化锌硬度与弹性模量例如剪切模量和杨氏模量成比例。随着特定掺杂硫化锌的弹性模量增加，掺杂硫化锌的硬度提高。可以在常规的CVD或PVD炉中进行掺杂硫化锌的沉积。典型地，这种炉子包含在垂直设置的水冷不锈钢真空腔室内。石墨釜中包含熔融锌，而且在沉积腔的底部提供诸如电阻加热或者辐射加热元件的加热方式。基体(例如中空的芯棒)典型地由石墨制成，垂直地设置在锌釜的上方且内部与该釜流动连通。典型地芯棒为矩形或者它可为管状。能够加热芯棒(mandrel)的第二加热元件(例如电阻加热器)围绕芯棒的外部。气体喷射器向芯棒内侧下方提供硫化氢、掺杂源(诸如硒化氢、三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基氯硅烷或者其混合物)以及惰性气体，诸如氩气或氮气。炉腔室顶部的废气操作连接至过滤系统以清除颗粒，然后至诸如真空泵的真空源，及最后至洗涤器以清除未反应的硫化氢、掺杂气体以及其它任何有毒产物。通过热电偶接触芯棒外表面测量芯棒温度。该釜中锌的温度通过平均两个热电偶测量的温度得到，一个热电偶接触在熔融锌的液面上方且靠近液面处的釜壁较上部分，且另一个延伸至在熔融锌液面下方处的釜壁的较下部分。在US6221482和US6083561中公开有该反应炉。大于575℃温度下，在锌釜(retort)中蒸发锌元素。从喷射器进入芯棒时，蒸发的锌与硫化氢、一种或多种掺杂物气体以及载气混合。蒸发锌的流速为0.1-1slpm，优选0.2-0.5slpm，及硫化氢的流速0.1-0.9slpm，优选0.2-0.6slpm。在给定运行(run)下与锌相比，典型地硫保持在较低的流速。掺杂气体流速范围从0.01-0.1slpm，优选0.08-0.1slpm。混合的气体流经芯棒内表面，在此与加热的芯棒内表面接触，使锌、硫化氢和掺杂物反应以在芯棒内表面形成掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合物，所述组合物包含硫化锌和0.5摩尔％至10摩尔％选自硒、镓、铝和硅的一种或多种掺杂物。

【技术特征摘要】
2013.09.26 US 61/883,0901.一种组合物，所述组合物包含无色透明硫化锌和0.5摩尔％至10摩尔％的掺杂物，所述掺杂物为硒和选自镓、铝和硅的一种或多种掺杂物。2.权利要求1的组合物，其中掺杂物的量为1摩尔％至6摩尔％。3.一种方法，所述方法包括：a)提供锌源、硫源和选自硒、镓、铝和硅中的一种或多种掺杂物源；b)向包含惰性气体的化学气相沉积腔室注入0.2-1slpm锌源气体，0.1-0.9slpm硫源气体，和0.01slpm-0.1slpm一种或多种硒、镓、铝和硅源气体，化学气相沉积腔室压力范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·S·格拉，H·王，柏桦，M·A·皮克林，
申请(专利权)人：罗门哈斯电子材料有限公司，陶氏环球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US