способ получения объемного теллурида цинка-кадмия холодным прессованием

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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_x Te 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_x Te, 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 1
N	Состав керамики	Давление прессования, МПа	Время прессования, мин	Т °С	Диаметр частиц кадмий-цинк-теллур, нм	Твердость материала, МПа
1	Cd 0.9Zn0.1Te	450	5	+20	300	660
2	Cd0.9Zn 0.1Te	300	5	+20	10	830
3	Cd 0.9Zn0.1Te	350	10	+20	10	1136
4	Cd0.9Zn 0.1Te	450	2	+25	10	1130
5	Cd 0.9Zn0.1Te	500	1	+25	10	1140
6	Cd0.9Zn 0.1Te	600	5	+20	10	1140
7	Cd 0.9Zn0.1Te	450	5	+200	60	806
8	Cd0.9Zn 0.1Te	450	20	+20	10	1030
9	Cd 0.9Zn0.1Te	400	40	+20	10	расслоение
10	Cd0.8Zn 0.2Te	400	10	+25	10	1536
11	Cd 0.7Zn0.3Te	400	5	+20	10	1751
12	Cd0.96Zn 0.04Te	400	5	+20	10	1008

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 2
Состав кристалла или керамики	Микротвердость кристалла, выращенного из расплава, МПа	Микротвердость керамики из нанопорошка, МПа
Cd 0.96Zn0.04Те	630	1008
Cd 0.9Zn0.1Те	710	1136
Cd 0.8Zn0.2Те	967	1536
Cd 0.7Zn0.3Те	1251	1751
Cd 0.6Zn0.4Те	1330	1852

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.