[发明专利]磷硅镉多晶料的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外非线性光学材料磷硅镉的制备，特别涉及磷硅镉的多晶料的合成方法。

背景技术

中远红外激光在军事和民用领域有诸多应用。采用红外非线性光学晶体进行频率变换是产生连续可调谐的中远红外激光的有效方法之一。目前研究比较广泛的红外非线性光学晶体有磷锗锌，硫镓银，硒镓银等。磷锗锌具有优秀的非线性光学性能及热学性能，可以满足产生高功率中红外激光的要求，但是由于磷锗锌在1μm左右存在较大的缺陷吸收，故不能用更为广泛的1μm左右的基频光泵浦，泵浦源受到了严重的限制。而硫镓银和硒镓银的非线性光学系数及热导率均较低，满足不了高功率中远红外激光的输出要求。

磷硅镉，化学式CdSiP₂，热导率为13.6Wm^-1K^-1，比热为0.446Jg^-1K^-1，透光范围为530nm-10μm，带隙为2.2-2.4eV，它是现有的可用1μm左右的激光泵浦的非线性系数最大的红外材料，其d₃₆高达84pm/V。磷硅镉单晶体可以用1064nm的激光泵浦产生6μm-8μm的红外激光，并且输出6μm的激光时可以实现非临界位相匹配，另外它还可以用1.5μm的激光泵浦实现3-5μm红外可调谐激光的输出。磷硅镉晶体大的非线性系数、高的热导率以及宽的带隙使其成为可用目前更为成熟的1μm左右的激光泵浦的，产生高功率中远红外激光的一种很有前途的非线性光学材料。

然而，磷硅镉晶体的熔点高达1133℃，在熔点附近下，其饱和分解压高达22atm，并且高温下磷硅镉会与石英反应，很容易导致坩埚的爆炸。如此高的温度和分解压使高纯磷硅镉的多晶料合成非常困难，对设备和合成工艺要求高。迄今为止未见有磷硅镉多晶料合成工艺的详细报道。

发明内容

本发明针对磷硅镉多晶料合成中的难点，本发明提供了一种安全可靠，并且操作简单的单温区合成磷硅镉多晶料的方法。

本发明的技术方案如下：

磷硅镉多晶料的合成方法，步骤如下：

1)将纯度为99.999％的磷、硅、镉三种单质原料按硅∶镉∶磷＝1∶1∶2～2.05摩尔比装入合成坩埚中；将合成坩埚装入石英管中，抽真空至2×10^-4Pa后封结石英管；

2)将上述真空封结的石英管装入单温区炉的炉管中，将单温区炉从室温以30～50℃/h的升温速率升温至350-750℃，在此温度保温20～25h；然后以15～20℃/h的升温速率升温至1140～1160℃，在此温度保温20～35h；然后以50～100℃/h降温速率降温至300℃，再自然降温至室温，打开合成坩埚即得到磷硅镉多晶料。

根据本发明优选的，所述单温区炉是垂直管式电阻炉或水平管式电阻炉。

根据本发明优选的，所用的合成坩埚的材质为石墨或氮化硼。

根据本发明优选的，上述步骤2)的升温、降温控制如下：将单温区炉从室温以40～45℃/h的升温速率升温至500～600℃，在此温度保温22h；然后以20℃/h的升温速率升温至1150℃，在此温度保温20h，然后以60℃/h降温速率降温至300℃，再自然降温至室温。

本发明的方法所用装置以垂直管式电阻炉为例，包括合成坩埚、可密封石英管、炉体和温度控制单元，所述炉体包括外壳、加热元件、炉管，加热元件与炉管之间为保温材料，所述加热元件为电阻丝或硅碳棒。温度控制单元包括控温热电偶和温度控制仪表。如图1所示。

本发明的方法合成的磷硅镉多晶料纯度高，所得多晶粉末的XRD图与标准谱图对应很好，表明所合成的多晶料为高纯单相的磷硅镉多晶料。如图3所示。

本发明的方法合成的磷硅镉多晶料，可以用于磷硅镉单晶的自发形核生长或籽晶法生长，所得磷硅镉单晶品质好。

与现有技术相比，本发明方法的优良效果如下：

1、本发明合成方法简单易控，操作容易，安全可靠，设备简单，大大降低了合成成本。

2、本发明的方法合成的磷硅镉多晶料纯度高、品质良好，用作磷硅镉单晶生长的原料时，能够得到单晶性良好的磷硅镉单晶材料。

附图说明

图1本发明实施例1合成方法使用的装置结构示意图，其中，1、可密封石英管，2、合成坩埚，3、合成原料，4、加热元件，5、炉底保温砖，6、外壳，7、控温热电偶，8、保温材料，9、炉盖，10、炉管，11、温度控制仪表。

图2本发明实施例1合成方法制得的CdSiP₂多晶锭照片。