[发明专利]四元硫锂化合物多晶体的合成容器与合成方法

说明书

本发明公开了四元硫锂化合物多晶体的合成容器与合成方法。所述合成容器由第一PBN坩埚、第二PBN坩埚、内层石英坩埚和外层石英坩埚组合而成。所述合成方法以高纯度的Li₂S、单质S和四元硫锂化合物的其它两种元素的高纯度单质为原料，工艺步骤：(Ⅰ)合成容器的清洗与干燥；(Ⅱ)装料；(Ⅲ)多晶体的合成，在可倾斜和转动的两区域加热管式炉中进行，两区域加热管式炉倾斜放置，将装有原料并封结的合成容器放入两区域加热管式炉内，装有原料的一端位于高温区，未装原料的一端位于低温区。使用本发明所述合成容器和方法，在保证合成安全性的条件下可得到单相的四元硫锂化合物多晶体，并增大单次合成四元硫锂化合物多晶体的原料量。

技术领域

本发明属于四元化合物半导体材料制备领域，特别涉及硫锂四元化合物多晶体的合成方法及所使用的合成容器。

背景技术

硫锂四元化合物晶体，是性能优异的新型红外非线性光学材料，在红外对抗、激光雷达、激光通讯和国防科技等领域有着广泛的应用前景。

化合物多晶体的合成，通常以石英安瓿为合成容器。硫锂四元化合物晶体的合成，由于原料中含有Li₂S或单质Li，而Li₂S或单质Li在高温下会与石英发生反应，腐蚀石英安瓿，因而存在爆炸的风险，安全性难以保障。为解决安全性问题，已公开的硫锂四元化合物合成方法主要有以下几种：

美国爱荷华州立大学的Youngsik Kim使用1g的反应物(原料)——Li₂S、GeS₂和Ga₂S₃(配比为1:4:1)，合成出了Li₂Ga₂GeS₆(见Characterization of New InfraredNonlinear Optical Material with High Laser Damage Threshold,Li₂Ga₂GeS₆,Chem.Mater.2008,20,6048–6052)。该方法的反应容器为镀有碳膜的石英管，工艺为：通过10h将温度从室温升至950℃保温5h，然后经过7h降温至750℃，再经过100h降温至500℃保温20h，最后快速冷却至室温。该方法存在的问题是：(1)只适用于少量的四元硫锂化合物的合成，当反应原料增加，反应时间增长后，碳膜容易脱落，进入到反应产物中，由于碳膜的脱落，严重时会使物料与石英发生反应，导致石英安瓿爆炸；(2)所合成的化合物Li₂Ga₂GeS₆含有杂相。

我国武汉大学的SONG Man直接在石英管里合成了5g的Li₂Ga₂GeS₆化合物，原料为30％的Li₂S，30％的Ga₂S₃和余量GeS₂(见Synthesis and Properties of New InfraredNonlinear Optical Li₂Ga₂GeS₆ Crystal,Journal of Wuhan University ofTechnology-Mater,2015,03,509-511)。工艺为：从室温加热到120℃保温1小时，然后以1.5℃/min的速度升温至400℃保温1小时，再以1.5℃/min升温至800℃、以51℃/min的速度从800℃升温至950℃保温1小时，继后降温至850℃保温1小时，最后快速降温至室温。该方法存在的问题是：(1)仍然难以保障合成过程的安全性；(2)所得到的Li₂Ga₂GeS₆易潮解，说明反应后仍残留Li₂S，反应不完全。