способ получения стекол ge_x s_1-x (x=0,1-0,5)

Формула изобретения

Способ получения стекол Ge_xS_1-x (x=0,1-0,5), включающий загрузку Ge и S в реакционную камеру, вакуумирование, нагревание и закалку, отличающийся тем, что реакционную камеру выполняют в виде двух сообщающихся сосудов, вводят дополнительно Вr в герметичном сосуде, вскрывают в ней сосуд с Вr, проводят взаимодействие компонентов шихты с Вr при Т_max550^oС, образовавшийся GeBr₄ и легколетучие примеси конденсируют во втором сосуде и отпаивают его.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для синтеза стекол Ge_xS_1-x(X=0,1-0,5) особой чистоты.

Известен способ получения халькогенидного стекла GeS₂ [Ананичев В.А., Печерицин И.М., Крылов Н.И., Байдаков Л.А. Способ получения халькогенидного стекла GeS₂. Патент Российской Федерации 2021218. 15.10.94. Бюл. 19.], включающий загрузку Gе₂S₃Вr₂ в реакционную камеру, нагрев при 500-550^oС в двухкамерном сосуде с обеспечением градиента температур от температуры синтеза в одной камере до комнатной температуры в другой камере, закаливание на воздухе.

В аналоге использование в качестве шихты сплава Gе₂S₃Вr₂, разлагающегося при температуре 500-550^oС обеспечивает получение стекла состава GeS₂. Однако способ не позволяет вводить в состав шихты Ge и S в любых соотношениях и, следовательно, получать стекла Ge_xS_1-x(X=0,1-0,5) с различными оптическими, электрическими, термическими и другими характеристиками.

Способ не учитывает также возможность растворения примесей в стеклующемся расплаве в результате нарушения фазового равновесия в реакционной камере двухкамерного сосуда в процессе закалки (ликвидации градиента температур от температуры синтеза в одной камере до комнатной температуры в другой камере).

Наиболее близким изобретением по технической сущности является способ получения стекол Ge_xS_1-x(X=0,1-0,5) [Борисова З.У. Халькогенидные полупроводниковые стекла. Л.: Изд. ЛГУ, 1983. 344 с.], включающий загрузку элементарных Ge и S в реакционную камеру, выполненную из кварцевого стекла, вакуумирование, нагревание до температур 900-950^oС, выдержку и закалку.

Степень чистоты стекол, получаемых этим способом, определяется содержанием примесей в исходных веществах Ge и S и температурно-временными условиями синтеза.

Способ не позволяет удалять химически связанные с сеткой стекла легколетучие примеси водорода, кислорода и углерода, находящиеся в стекле в виде Ge-H, S-H, ОН групп и растворенные в ней молекулы Н₂О, CS₂, COS, вызывающие селективное поглощение в области высокой прозрачности стекол.

Способ не учитывает также большую скорость поступления примесей из стенок кварцевого сосуда в расплав стекла, синтезируемого при высокой температуре, и не исключает появление в нем гетерофазных включений, рассеивающих и поглощающих излучение.

Задачей изобретения является снижение температуры синтеза, увеличение прозрачности стекол Ge_xS_1-x(X=0,1-0,5) в диапазоне частот 1500-4000 см^-1.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения стекол Ge_xS_1-x(X=0,1-0,5), включающем загрузку Ge и S в реакционную камеру, вакуумирование, нагревание и закалку, реакционную камеру выполняют в виде двух сообщающихся сосудов, вводят дополнительно Вr в герметичном сосуде, вскрывают в ней сосуд с Вr, проводят взаимодействие компонентов шихты с Вr при Т_max550^oC, образовавшийся GeBr₄ и легколетучие примеси конденсируют во втором сосуде и отпаивают его.

Использование для получения стекол Ge_xS_1-x (X=0,1-0,5) элементарных Ge, S и Вr приводит согласно уравнениям реакции

S+Вr₂= SВr₂, 2SВr₂= S₂Вr₂+Вr₂, Ge+2Br₂= GeBr₄, Н₂+Вr₂=2НВr, GeS₂+H₂= GeS+H₂S, GeS+H₂= Ge+H₂S, GeS+2O₂=GeO₂+SO₂, GeO₂+4HBr=GeBr₄+2H₂O, GeO+3HBr= GeHBr₃+H₂O, SO₂+C=CO₂+S к очистке Ge и S в результате образования из твердых, тугоплавких и высококипящих соединений газообразных и жидких легколетучих продуктов в момент бромирования-вскрытия сосуда с бромом в реакционной камере.

Взаимодействие Ge и S с химически активным Вr при Т_max 550^oС приводит к образованию стеклообразующего расплава Ge_xS_1-х, газообразного GeBr₄ и легколетучих примесей.

Конденсация GeBr₄ и легколетучих примесей во втором сосуде и удаление сосуда с конденсатом перед закаливанием стеклообразующего расплава исключает возможность растворения примесей в расплаве в процессе закалки.

Понижение температуры бромирования компонентов шихты ниже 550^oС приводит к неполному их взаимодействию и кристаллизации стеклообразующего расплава при охлаждении.

Существенным отличием заявленного способа получения стекол Ge_xS_1-x(X= 0,1-0,5) является введение в реакционную камеру Вr в герметичном сосуде, вакуумирование камеры, вскрытие в ней сосуда с бромом, проведение взаимодействия компонентов шихты при Т_max550^oС, отделение сосуда с расплавом стекла от сосуда с примесями, в результате которого образуются стекла Ge_xS_1-x(X= 0,1-0,5) высокой прозрачности, практически не содержащие полос поглощения в диапазоне частот 1500-4000 см^-1.

Пример 1. Для получения 10 г стекла состава Ge_0,12S_0,88 кварцевый сосуд заполняли бромом и герметизировали. Бром 3,4331 г, германий 3,13911 г и серу 7,64059 г загружали в реакционную камеру, выполненную из кварцевого стекла в виде двух сообщающихся сосудов. Реакционную камеру вакуумировали до давления 10^-4-10^-5 мм рт. ст. и герметизировали. Затем сосуд с бромом вскрывали непосредственно в реакционной камере. Реакционную камеру помещали в печь и нагревали до Т_max=553^oС. Образовавшийся GeBr₄ и легколетучие примеси конденсировали во втором сосуде, отпаивали. Последующей закалкой расплава получали стекло состава Ge_0,12S_0,88 высокой прозрачности, практически не содержащее примесных полос поглощения в диапазоне частот 1500-4000 см^-1.

Пример 2. Для получения 10 г стекла состава Ge_0,50S_0,50 кварцевый сосуд заполняли бромом и герметизировали. Бром 3,4331 г, германий 3,1391 г и серу 7,6406 г загружали в реакционную камеру, выполненную из кварцевого стекла в виде двух сообщающихся сосудов. Реакционную камеру вакуумировали до давления 10^-4-10^-5 мм рт. ст. и герметизировали. Затем сосуд с бромом вскрывали непосредственно в реакционной камере. Реакционную камеру помещали в печь и нагревали до Т_max=550^oС. Образовавшийся GeBr₄ и легколетучие примеси конденсировали во втором сосуде и отпаивали. Последующей закалкой расплава получали стекло состава Ge_0,50S_0,50 высокой прозрачности, практически не содержащее примесных полос поглощения в диапазоне частот 1500-4000 см^-1.

Использование данного способа получения стекол Ge_xS_1-x (X=0,1-0,5) обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:

-возможность получения стекол Ge_xS_1-x (X=0,1-0,5) высокой прозрачности, не содержащих примесных полос поглощения в диапазоне частот 1500-4000 см^-1.

-возможность снизить температуру синтеза стекол Ge_xS_1-x (X=0,1-0,5) от 900 до 550^oС.