硫化鋅硬度的增加的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及增加硫化鋅硬度。更特別地，本發(fā)明涉及通過添加選擇量的特定摻雜 物至硫化鋅中，增加硫化鋅硬度的同時基本上不犧牲硫化鋅的光學(xué)性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如硫化鋅的材料是紅外（IP)部件（例如可能會達到超音速的高速航空器的窗 口或者圓頂）非常需要的材料，這是因為它們從可見光至長波紅外（LWIR)波段區(qū)域（即 0. 6 ym-14iim)的高透過性。通常，通過硫化鋅的透過性可從約60 %至更高。然而，硫化鋅 還相對較軟，這使得它不適用于高速航空器。這些部件必須承受雨水和沙的影響，而且在 所需的波長波段提供高透過性。但是，硫化鋅通常在雨水和沙沖擊下遭受相當大的損害， 這導(dǎo)致透過性的損失并隨之增加散射。散射通常是一個物理過程，其中在其通過的介質(zhì)中 的一個或多個局部不均勻物質(zhì)迫使諸如光或者移動粒子的輻射偏離直線軌道。一般來說， 雨水腐蝕測試是在2_公稱降落直徑的人工降雨區(qū)域，降雨速度約25. 4_/hr且碰撞樣品 速率約210米/秒下進行，暴露時間約20分鐘。典型的測試為俄亥俄州代頓市的Wright Patterson空軍基地的代頓大學(xué)研宄學(xué)院實施的Whirling Arm Rain Rig測試。實施在硫 化鋅上的測試顯示，當暴露于上述降雨區(qū)域5分鐘或更長時間時，硫化鋅經(jīng)受了相當大的 損傷。
[0003] 為提高硫化鋅的耐受性，在硫化鋅紅外窗口施加硬質(zhì)或耐受材料涂層，諸如類金 剛石、氧化鋁、氮化硼和磷化鎵。涂層材料的選擇取決于所需的特定的透光波段。但是，涂 層可能具有粘結(jié)性問題和在硫化鋅部件表面的不均勻。部件尺寸和形狀的多樣性（例如在 表面上的非常規(guī)角度）讓涂層施加困難。當涂層的厚度增加或者當沉積涂層的部件尺寸變 化時，涉及材料的許多物理性能。通常，由于涂層厚度的改變以及部件尺寸的變化，涉及應(yīng) 力（諸如拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力），其效果是不可預(yù)測的。因此，需要增加硫化鋅的硬度，其能 經(jīng)受住整個過程中雨水與沙的腐蝕并在所需的波長波段透光及在高速航空器中耐用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 一種組合物，包括硫化鋅和0. 5摩爾％ -10摩爾％選自硒、鎵、鋁或硅的一種或多 種摻雜物。
[0005] 一種方法，包括提供鋅源、硫源和選自硒、鎵、鋁和硅的一種多種的摻雜物；在含 惰性氣體的化學(xué)氣相沉積腔室中，注入〇. 2-lslpm鋅氣體源，0. l-o. 9slpm硫氣體源，及 0. 01slpm-0. lslpm硒、鎵、錯和娃氣體中的一種或多種源，化學(xué)氣相沉積腔體的壓力范圍 為20-50T〇rr ;在基體上化學(xué)氣相沉積一層或多層組合物層，組合物包括硫化鋅和0. 5摩 爾％ -10摩爾％的選自硒、鎵、鋁或硅的一種或多種摻雜物，基體溫度為600°C _800°C。
[0006] 部件包括基體和一層或多層組合物層，組合物含硫化鋅和0. 5摩爾％ -10摩爾％ 選自硒、鎵、鋁或硅的一種或多種摻雜物。
[0007] 硫化鋅和以0. 5摩爾％ -10摩爾％的量含有的一種或多種摻雜物的組合物，增加 了硫化鋅的硬度，所以可以不用保護層。以特定的含量摻入一種或多種選擇的摻雜物并不 犧牲硫化鋅的光學(xué)性能。該組合物能經(jīng)受雨水和沙腐蝕，及在8 y m-12 y m長波紅外區(qū)域透 光，因此它們能用于制備高速航空器的窗口和圓頂。
【附圖說明】
[0008] 圖1描述了含有采用摻雜硫化鋅層涂覆的基體的部件；
[0009] 圖2描述了含有采用多層摻雜硫化鋅層涂覆的基體的部件；
[0010]圖3描述了含有交替的基體層與摻雜硫化鋅層的部件；
【具體實施方式】
[0011] 除非文中另有說明，本說明書全文所采用的下列縮寫具有如下含義：°c=攝氏 度；IR=紅外線；LWIR=長波紅外線；gm=克；kg=千克；m=米；cm=厘米；mm=毫米； ym=微米；nm=納米；Knoop=kg/mm2;slpm=每分鐘標準升；hr=小時；Torr=ImmHg =133. 322368 帕斯卡；psi=鎊 / 英寸 2= 0? 06805atm(大氣壓）；latm= 1. 01325X10 6 達因/cm2;ASTM=美國標準測試方法；CVD=化學(xué)氣相沉積；以及PVD=物理氣相沉積。
[0012] 術(shù)語"化學(xué)計量"是指化學(xué)反應(yīng)元素按特定比例組合，而且反應(yīng)物的每種元素的含 量和產(chǎn)品中每種元素的相同。術(shù)語"模量"是指特定物質(zhì)的特定性能的系數(shù)。術(shù)語"一"和 "一個"可以指單個和多個。除了數(shù)值范圍邏輯上限制為總量100%，所有數(shù)值范圍可以按 任何方式包含或結(jié)合。
[0013] 基于摻雜硫化鋅計，組合物包括0.5摩爾％ -10摩爾％的選自硒、鎵、鋁和硅的一 種或多種摻雜物摻雜的硫化鋅。摻雜物的添加增加了硫化鋅的硬度，并且同時基本上沒有 犧牲硫化鋅的光學(xué)性能，例如透光率、折射率、反射率和吸收率。摻雜硫化鋅硬度的提高， 能夠使硫化鋅更好的耐受由高速雨滴和諸如沙子的固體粒子引起的磨損，并仍然保持它的 光學(xué)性能。優(yōu)選地，結(jié)合在硫化鋅內(nèi)的摻雜物含量為1摩爾％ -6摩爾％，更優(yōu)選的1. 5摩 爾％ -3摩爾％。優(yōu)選地，摻雜物選自硒、鎵和鋁中的一種或多種，更優(yōu)選地，摻雜物選自硒 和鎵中的一種或多種，最優(yōu)選地，摻雜物為硒。當結(jié)合兩種或多種摻雜物到硫化鋅中時，優(yōu) 選地其中一種摻雜物為硒。優(yōu)選地，硒與其它摻雜物含量相同，更優(yōu)選地，硒摻雜物占主要， 而且與其它摻雜物相比以更多含量結(jié)合。
[0014] 雖然不受理論束縛，但結(jié)合一種或多種摻雜物到硫化鋅中涉及硫化鋅晶格中鋅原 子或硫原子與摻雜物原子的置換。例如，如果硒結(jié)合到硫化鋅晶格中，每個硒原子取代一個 硫原子。如果鎵、鋁或硅結(jié)合到硫化鋅晶格中，每個鎵、鋁或硅原子取代一個鋅原子。鋅或者 硫原子置換為摻雜物原子中的一個，導(dǎo)致硫化鋅晶格的錯配，因此改變了晶格的機械性能， 例如增加了硫化鋅的硬度。普遍認為，由摻雜物的錯配引起的硫化鋅硬度與彈性模量例如 剪切模量和楊氏模量成比例。隨著特定摻雜硫化鋅的彈性模量增加，摻雜硫化鋅的硬度提 尚。
[0015] 可以在常規(guī)的CVD或PVD爐中進行摻雜硫化鋅的沉積。典型地，這種爐子包含在垂 直設(shè)置的水冷不銹鋼真空腔室內(nèi)。石墨釜中包含熔融鋅，而且在沉積腔的底部提供諸如電 阻加熱或者輻射加熱元件的加熱方式?；w（例如中空的芯棒）典型地由石墨制成，垂直 地設(shè)置在鋅釜的上方且內(nèi)部與該釜流動連通。典型地芯棒為矩形或者它可為管狀。能夠加 熱芯棒（mandrel)的第二加熱元件（例如電阻加熱器）圍繞芯棒的外部。氣體噴射器向芯 棒內(nèi)側(cè)下方提供硫化氫、摻雜源（諸如硒化氫、三甲基鎵（TMG)、三甲基鋁（TMA)、三甲基氯 硅烷或者其混合物）以及惰性氣體，諸如氬氣或氮氣。爐腔室頂部的廢氣操作連接至過濾 系統(tǒng)以清除顆粒，然后至諸如真空泵的真空源，及最后至洗滌器以清除未反應(yīng)的硫化氫、摻 雜氣體以及其它任何有毒產(chǎn)物。通過熱電偶接觸芯棒外表面測量芯棒溫度。該釜中鋅的溫 度通過平均兩個熱電偶測量的溫度得到，一個熱電偶接觸在熔融鋅的液面上方且靠近液面 處的釜壁較上部分，且另一個延伸至在熔融鋅液面下方處的釜壁的較下部分。在US6221482 和US6083561中公開有該反應(yīng)爐。
[0016] 大于575°C溫度下，在鋅釜（retort)中蒸發(fā)鋅元素。從噴射器進入芯棒時，蒸 發(fā)的鋅與硫化氫、一種或多種摻雜物氣體以及載氣混合。蒸發(fā)鋅的流速為〇. 1-lslpm，優(yōu) 選0? 2-0. 5slpm，及硫化氫的流速0? 1-0. 9slpm，優(yōu)選0? 2-0. 6slpm。在給定運行（run) 下與鋅相比，典型地硫保持在較低的流速。摻雜氣體流速范圍從〇. 〇卜〇. lslpm，優(yōu)選 0. 08-0. lslpm?；旌系臍怏w流經(jīng)芯棒內(nèi)表面，在