Способ получения объемного теллурида кадмия прессованием

Способ получения объемного теллурида кадмия прессованием

Реферат

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов на основе теллурида кадмия и может использоваться для получения объемного материала высокой плотности и механической твердости, изготавливаемого из нано-порошка, 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 CdTe, полученного известными способами, твердость низкая - на уровне 380-440 МПа.

Известен способ получения объемного кристаллического теллурида кадмия выращиванием из расплава [Н. J. von Bardeleben, Т. Arnoux, С. Launay. Intrinsic Defects in Photorefractive Bulk 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 435 МПа.

Известен способ выращивания объемных кристаллов теллурида кадмия из паровой фазы вне контакта со стенками ампулы [Кпинкова Л.А., Ганович Н.И., Колесникова О.С. Структурные несовершенства кристаллов CdTe, выращенных из паровой фазы вне контакта со стенками ампулы. Неорганические материалы, 1988, т. 24, №8, с.1264-1269]. Этот способ получения теллурида кадмия имеет тот же недостаток, что и предыдущий, а именно низкую микротвердость CdTe - на уровне 420 МПа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения селенида цинка [Сп. В. Willingham, J. Pappis. Optical Element, Especially 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 кадмия и селенида цинка оправдано, поскольку оба они относятся к ряду соединений А^IIB^VI, и их физико-химические свойства весьма близки между собой [N.N.Kolesnikov, R.В.James, N.S.Berzigiarova, M.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^IIB^VI, к которым относятся CdTe 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^IIB^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^IIB^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^IIB^VI не позволяют получать объемный теллурид кадмия с высокой механической твердостью.

Поскольку теллурид 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).

Задачей данного изобретения является получение объемного теллурида кадмия, обладающего высокой механической твердостью.

Эта задача решается в предлагаемом способе получения объемного теллурида кадмия путем прессования нано-кристаллического порошка с размерами частиц 7-10 нм при температурах от +20 до +25°С на воздухе, при давлении прессования 600-650 МПа, в течение 10-30 минут.

Нижняя граница интервала размера частиц определяется экономическими соображениями, поскольку при дальнейшем уменьшении размера частиц контроль однородности и качества нано-порошка потребовал бы применения более дорогостоящей техники - электронной микроскопии высокого разрешения.

При увеличении размера частиц за пределами указанного интервала твердость снижается (см. таблицу), предположительно, за счет снижения способности материала к уплотнению при прессовании.

Интервал давлений, при которых происходит прессование, оптимален для достижения высоких показателей твердости CdTe. При более низких давлениях показатели твердости уменьшаются, а прессование при давлении выше верхнего значения из данного интервала не приводит к повышению твердости выше достигнутого значения.

Выбор комнатной температуры прессования обусловлен тем, что при повышенных температурах могут происходить процессы динамического отдыха и рекристаллизации. Помимо этого горячее прессование требует дополнительных затрат на оборудование, но не ведет к заметному увеличению твердости (как это видно из таблицы). Кроме того, следует учесть, что CdTe частично разлагается на компоненты при температурах 300°С и выше. Таким образом, прессование керамики из нано-порошка CdTe 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 по всему объему материала. Как видно из таблицы, выдержка теллурида кадмия в течение не менее 10 мин под нагрузкой необходима для достижения однородности структуры и свойств по сечению и объему материала. С другой стороны, увеличение времени выдержки свыше 30 мин нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему повышению твердости.

Предложенный способ позволяет получить объемный теллурид кадмия стехиометрического состава (по данным проведенного рентгеновского микроанализа), плотность которого равна 5.44 г/см³, что составляет 93% рентгеновской плотности CdTe. Микротвердость по Виккерсу полученного таким способом теллурида кадмия в среднем составляет 1200 МПа, что в 2,5 раза превышает микротвердость кристаллов, изготовленных известными способами.

Пример

Нано-порошок теллурида кадмия со средним размером частиц 8 нм был загружен в пресс-форму диаметром 10 мм и помещен в камеру пресса. Образец нагружали до давления 600 МПа, а затем выдерживали под давлением в течение 20 минут. 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 1150 МПа. Значение микротвердости по сечению было постоянным, что указывает на однородность микроструктуры образцов. Точность измерения микротвердости была не хуже ±5%.

Таблица
№	Давление прессования, МПа	Время прессования, мин	T, °с	Диаметр частиц CdTe, нм	Твердость полученного материала, МПа	Примечания
1	570	10	25	7-10	900	все сечение
2	600	10	25	7-10	1100	все сечение
3	650	10	25	7-10	1100	все сечение
4	670	10	25	7-10	1100	все сечение
5	600	10	25	40	970	все сечение
6	600	10	25	300	590	все сечение
7	600	5	25	7-10	920	край образца
8	600	5	25	7-10	1000	центр образца
9	600	30	25	7-10	1400	все сечение
10	600	45	25	7-10	1400	все сечение
11	600	60	200	7-10	1400	все сечение

Способ получения объемного теллурида кадмия прессованием, отличающийся тем, что прессованию подвергают нанокристаллический порошок теллурида кадмия с размерами частиц 7-10 нм при температуре от 20 до 25°С, на воздухе, при давлении прессования 600-650 МПа в течение 10-30 мин.