專利名稱：磷化鍺鋅多晶體的合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種三元化合物多晶體材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種磷 化鍺鋅多晶體的合成裝置。
技術(shù)背景 黃銅礦類半導(dǎo)體晶體材料具有非線性光學(xué)系數(shù)和遠(yuǎn)紅外區(qū)透過(guò)率很高的突出優(yōu) 點(diǎn)。磷化鍺鋅(ZnGeP2，ZGP)晶體是黃銅礦類半導(dǎo)體晶體中綜合性能最好的，它的優(yōu)點(diǎn)十分 突出，它是所有已知的紅外非線性光學(xué)晶體中非線性系數(shù)最高者之一，是目前實(shí)現(xiàn)高功率 中、遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧激光輸出的最佳非線性材料，在民用、國(guó)防領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。高 質(zhì)量磷化鍺鋅多晶的合成是制備磷化鍺鋅單晶的前決條件。磷化鍺鋅多晶體的合成目前主要是單溫區(qū)合成法和雙溫區(qū)合成法，但這些方法合 成速率低、單次合成量較小，且由于磷蒸氣壓較高，合成過(guò)程易發(fā)生爆炸；同時(shí)，由于這兩種 方法常使用石英管進(jìn)行真空封裝，將多晶取出時(shí)要破壞石英管，石英管無(wú)法循環(huán)再用，大大 增加了生產(chǎn)成本，造成極大的物質(zhì)浪費(fèi)。另外，傳統(tǒng)的磷化鍺鋅多晶體的合成方法產(chǎn)出率一般在80%左右，產(chǎn)出率不高，合 成的原料不純，很難滿足光學(xué)級(jí)優(yōu)質(zhì)單晶生長(zhǎng)的需要。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，為了解決目前磷化鍺鋅多晶合成方法存在的合成速率 低、易爆炸、產(chǎn)出率不高、產(chǎn)物不純、真空密封管不能循環(huán)利用的問(wèn)題，而提出一種磷化鍺鋅 多晶體的合成裝置。本實(shí)用新型的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本實(shí) 用新型提出的一種磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，包括爐腔；設(shè)置在爐腔內(nèi)的氬氣保護(hù)室； 設(shè)置在氬氣保護(hù)室內(nèi)的多晶料密閉內(nèi)反應(yīng)室；設(shè)置在內(nèi)反應(yīng)室內(nèi)的合成坩堝；所述內(nèi)反應(yīng) 室的一側(cè)底部通過(guò)連接管道與冷凝器相連通；所述合成坩堝通過(guò)連接管道依次穿過(guò)內(nèi)反應(yīng) 室，氬氣保護(hù)室及爐腔與蒸發(fā)器相連通。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，所述蒸發(fā)器通過(guò)一三通管 道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶相連通，該三通管道的縱向管道和橫向管道上分別設(shè)置有 氣流控制閥，縱向管道上的氣流控制閥的一端設(shè)計(jì)為氬氣入口。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，所述冷凝器通過(guò)一三通管 道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶相連通，該三通管道的縱向管道和橫向管道上分別設(shè)置有 氣流控制閥，縱向管道上的氣流控制閥的一端設(shè)計(jì)為氬氣入口。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，所述爐腔的兩端分別設(shè)置 有保溫隔熱層，保溫隔熱層的內(nèi)部設(shè)置有高溫密封塞；該爐腔的材料可選擇Al2O3陶瓷、石 墨、石英中的任意一種。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，所述合成坩堝的材料可選擇使用石墨、石英或PBN坩堝；所述保溫隔熱層的材質(zhì)為氧化鋯或多孔石墨耐火磚。借由上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型磷化鍺鋅多晶體的合成裝置至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型具有合成速率高、產(chǎn)物純度高、反應(yīng)完全、產(chǎn)出率高、安全防爆等優(yōu)點(diǎn)； 高純氬氣對(duì)反應(yīng)過(guò)程的保護(hù)，高純氬氣作為載氣緩慢把磷蒸氣載入高溫合成區(qū)域，合成過(guò) 程中，磷蒸發(fā)器與冷凝器交換加熱或冷卻；磷化鍺鋅多晶的合成速率分別是單溫區(qū)合成法 及雙溫區(qū)合成法的5倍及2倍以上；與現(xiàn)有技術(shù)合成工藝不同在于，本實(shí)用新型合成舟及反 應(yīng)管可以循環(huán)多次使用，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)成本。

圖1為本實(shí)用新型的磷化鍺鋅多晶體合成裝置示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅多晶體的X射線粉末衍射圖。圖3為本實(shí)用新型另一實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅多晶體的X射線粉末衍射圖。圖4為本實(shí)用新型又一實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅多晶體的X射線粉末衍射圖。11:爐腔12:氬氣保護(hù)室13:內(nèi)反應(yīng)室14:合成坩堝15、15，保溫層16、17:高溫密封塞18:氬氣入口20:蒸發(fā)器30:冷凝器40、40，廢氣處理瓶50,50'氣流控制閥 60、60，氬氣入口
具體實(shí)施方式
為了更詳細(xì)的解釋本實(shí)用新型所提出的磷化鍺鋅多晶料合成裝置，
以下結(jié)合附圖 及較佳實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)闡述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施例僅僅是用以解 釋本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖1所示，本實(shí)用新型的磷化鍺鋅多晶料合成裝置，包括爐腔11，設(shè)置在爐腔 11內(nèi)的氬氣保護(hù)室12 ；設(shè)置在氬氣保護(hù)室12內(nèi)的多晶料密閉內(nèi)反應(yīng)室13，設(shè)置在內(nèi)反應(yīng) 室13內(nèi)的合成坩堝14，內(nèi)反應(yīng)室13的一側(cè)底部通過(guò)連接管道與冷凝器20相連通；合成坩 堝14通過(guò)連接管道依次穿過(guò)高溫密封塞16，氬氣保護(hù)室12及爐腔11的保溫層15’與蒸發(fā) 器20相連通。該蒸發(fā)器20通過(guò)一三通管道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶40相連通，該三 通管道的縱向管道和橫向管道上分別設(shè)置有氣流控制閥50，縱向管道上的氣流控制閥的一 端設(shè)計(jì)為氬氣入口 60。該冷凝器30通過(guò)一三通管道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶40’相 連通，該三通管道的縱向管道和橫向管道上分別設(shè)置有氣流控制閥50’，縱向管道上的氣流 控制閥的一端設(shè)計(jì)為氬氣入口 60’。該爐腔11的兩端分別設(shè)置有保溫隔熱層15、15’，保溫隔熱層15’的內(nèi)部設(shè)置有高 溫密封塞17。該爐腔11的材料可選擇Al2O3陶瓷、石墨、石英中的任意一種。該氬氣保護(hù) 室12的上端一側(cè)通過(guò)一管道伸出爐腔11的保溫隔熱層15’之外，該管道的出口端設(shè)計(jì)為 氬氣入口 18;內(nèi)反應(yīng)室13設(shè)計(jì)為反應(yīng)管狀，反應(yīng)管的管口處用高溫密封塞16密封。其中， 合成坩堝(多晶合成舟)14的材料可選擇使用石墨、石英或PBN(氮化硼)坩堝；保溫隔熱 層15、15’的材質(zhì)為氧化鋯或多孔石墨耐火磚；高溫密封塞16和17的材質(zhì)為磨砂石英塞；內(nèi)反應(yīng)室13、氬氣保護(hù)室12及與它們相連接的管道使用高純石英材料。以下為磷化鍺鋅多晶料的制備方法實(shí)施例。實(shí)施例1將鋅、鍺按化學(xué)計(jì)量1 1比例重量配比共50g，在惰性氣體保護(hù)下混合均勻并充分研磨后置入合成坩堝14內(nèi)，將裝有鋅鍺混合原料的合成坩堝14置于內(nèi)反應(yīng)室13中，按 圖1連接內(nèi)反應(yīng)室13和氬氣保護(hù)室12后置于爐腔(水平合成爐)11內(nèi)，將內(nèi)反應(yīng)室13及 氬氣保護(hù)室12抽真空后充入高純氬氣。氬氣環(huán)境下秤取過(guò)量的磷加入蒸發(fā)器20內(nèi)，按所 使用的鋅及鍺的化學(xué)計(jì)量，磷的量為鋅或鍺的化學(xué)計(jì)量的1. 3 1. 5倍。按圖1連接管道 后，將反應(yīng)管整體抽真空，用高純氬氣反復(fù)將整個(gè)氣路及反應(yīng)室清洗3 5次，以洗去管內(nèi) 殘留的空氣或內(nèi)壁的吸附雜質(zhì)等。將內(nèi)反應(yīng)室(反應(yīng)管)13加熱至500 550°C并保持恒溫，使冷凝器30冷卻至0 5°C，加熱蒸發(fā)器20至80 160°C，打開高純氬氣接入口 60緩慢通入氬氣。當(dāng)蒸發(fā)器20內(nèi) 剩余磷的量少于初始量的1/4時(shí)，交換加熱冷凝器30至80 160°C，冷卻磷蒸發(fā)器20至 0 5°C，如此循環(huán)往復(fù)，直至反應(yīng)完成。將內(nèi)反應(yīng)室13加熱至920 1010°C，同時(shí)持續(xù)緩 慢通入磷與氬氣的混合氣，反應(yīng)48-72h后，將內(nèi)反應(yīng)室13緩慢降溫至400 V，然后關(guān)掉磷蒸 氣，持續(xù)通入氬氣。繼續(xù)降溫內(nèi)反應(yīng)室13至室溫，將過(guò)量的磷回收，取出多晶料。本實(shí)用新 型實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅多晶體的XRD(X射線粉末衍射圖)結(jié)果如圖2所示，數(shù)據(jù)表明 所制備的磷化鍺鋅多晶體單相性及結(jié)晶性能較好。實(shí)施例2將鋅、鍺按化學(xué)計(jì)量1 1.1比例重量配比共150g，在惰性氣體保護(hù)下混合均勻并 充分研磨后置入合成坩堝14內(nèi)，將裝有鋅鍺混合原料的合成坩堝14置于內(nèi)反應(yīng)室13中， 按圖1連接內(nèi)反應(yīng)室13和氬氣保護(hù)室12后置于爐腔11內(nèi)，將內(nèi)反應(yīng)室13及氬氣保護(hù)室 12抽真空后充入高純氬氣。氬氣環(huán)境下秤取過(guò)量的磷加入蒸發(fā)器20內(nèi)，按所使用的鋅及鍺 的化學(xué)計(jì)量，磷的量為鋅或鍺的化學(xué)計(jì)量的1. 3 1. 5倍。按圖1連接管道后用高純氬氣 反復(fù)將整個(gè)氣路及反應(yīng)室清洗3 5次。整個(gè)裝置連接并清洗完成后，使冷凝器30(冷凝瓶)冷卻至0 5°C，將內(nèi)反應(yīng)室 13加熱至550 620°C并保持恒溫，加熱磷蒸發(fā)器20至160 220°C，打開高純氬氣接入口 60緩慢通入氬氣。當(dāng)磷蒸發(fā)器20內(nèi)剩余磷的量少于初始量的1/4時(shí)，交換加熱冷凝瓶30 至160 220°C，冷卻磷蒸發(fā)器20至0 5°C ；當(dāng)冷凝瓶?jī)?nèi)的磷蒸發(fā)減少至原來(lái)的1/4時(shí)， 再交換加熱磷蒸發(fā)器20至160 220°C，冷卻冷凝瓶20至0 5°C ；如此交換加熱3 5 次。而后，將內(nèi)反應(yīng)室13加熱至1010 1015°C，同時(shí)持續(xù)緩慢通入磷與氬氣的混合氣(氬 氣/磷蒸氣的流量比控制在10/1左右)，反應(yīng)48-60h后，將內(nèi)反應(yīng)室13緩慢降溫至400°C， 然后關(guān)掉磷蒸氣，持續(xù)通入氬氣，繼續(xù)降溫內(nèi)反應(yīng)室13至室溫，將過(guò)量的磷回收，取出多晶 料。本實(shí)用新型實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅多晶體的XRD(X射線粉末衍射圖)結(jié)果如圖3所 示，數(shù)據(jù)表明所制備的磷化鍺鋅多晶體單相性及結(jié)晶性能較好。實(shí)施例3將鋅、鍺按化學(xué)計(jì)量1 1.05比例重量配比共300g，在惰性氣體保護(hù)下混合均勻 并充分研磨后置入合成坩堝14內(nèi)，將裝有鋅鍺混合原料的合成坩堝14置于內(nèi)反應(yīng)室13 中，按圖1連接內(nèi)反應(yīng)室13和氬氣保護(hù)室12后置于爐腔11內(nèi)，將內(nèi)反應(yīng)室13及氬氣保護(hù)室12抽真空后充入高純氬氣。氬氣環(huán)境下秤取過(guò)量的磷加入蒸發(fā)器20內(nèi)，按所使用的鋅 及鍺的化學(xué)計(jì)量，磷的量為鋅或鍺的化學(xué)計(jì)量的1. 3 1. 5倍。按圖1連接管道后用高純 氬氣反復(fù)將整個(gè)氣路及反應(yīng)室清洗3 5次。整個(gè)裝置連 接并清洗完成后，使冷凝瓶30冷卻至-10 0°C，將內(nèi)反應(yīng)室13加 熱至620 680°C并保持恒溫，加熱磷蒸發(fā)器20至220 40(TC，打開高純氬氣接入口 60 緩慢通入氬氣。當(dāng)磷蒸發(fā)器20內(nèi)剩余磷的量少于初始量的1/5時(shí)，交換加熱冷凝瓶30至 220 400°C，冷卻磷蒸發(fā)器20至-10 0°C ；當(dāng)冷凝瓶?jī)?nèi)的磷蒸發(fā)減少至原來(lái)的1/4時(shí)， 再交換加熱磷蒸發(fā)器20至160 220°C，冷卻冷凝瓶20至0 5°C ；如此交換加熱3 5 次。而后，將內(nèi)反應(yīng)室13加熱至1010 1015°C，同時(shí)持續(xù)緩慢通入磷與氬氣的混合氣，反 應(yīng)48-60h后，將內(nèi)反應(yīng)室13緩慢降溫至350°C，然后關(guān)掉磷蒸氣，持續(xù)通入氬氣，繼續(xù)降溫 內(nèi)反應(yīng)室13至室溫，將過(guò)量的磷回收，取出多晶料。本實(shí)用新型實(shí)施例制備出的磷化鍺鋅 多晶體的XRD(X射線粉末衍射圖)結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)表明所制備的磷化鍺鋅多晶體單 相性及結(jié)晶性能較好。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上 的限制，故凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施 例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于其包括爐腔；設(shè)置在爐腔內(nèi)的氬氣 保護(hù)室；設(shè)置在氬氣保護(hù)室內(nèi)的多晶料密閉內(nèi)反應(yīng)室；設(shè)置在內(nèi)反應(yīng)室內(nèi)的合成坩堝；所 述內(nèi)反應(yīng)室的一側(cè)底部通過(guò)連接管道與冷凝器相連通；所述合成坩堝通過(guò)連接管道依次穿 過(guò)內(nèi)反應(yīng)室，氬氣保護(hù)室及爐腔與蒸發(fā)器相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于所述蒸發(fā)器通過(guò) 一三通管道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶相連通，該三通管道的縱向管道和橫向管道上分 別設(shè)置有氣流控制閥，縱向管道上的氣流控制閥的一端設(shè)計(jì)為氬氣入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于所述冷凝器通過(guò) 一三通管道與裝有二硫化碳的廢氣處理瓶相連通，該三通管道的縱向管道和橫向管道上分 別設(shè)置有氣流控制閥，縱向管道上的氣流控制閥的一端設(shè)計(jì)為氬氣入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于所述爐腔的兩端 分別設(shè)置有保溫隔熱層，保溫隔熱層的內(nèi)部設(shè)置有高溫密封塞。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于所述爐腔的材料 可選擇Al2O3陶瓷、石墨、石英中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置，其特征在于所述合成坩堝的 材料可選擇使用石墨、石英或PBN坩堝；所述保溫隔熱層的材質(zhì)為氧化鋯或多孔石墨耐火 磚。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種磷化鍺鋅多晶體的合成裝置。該合成裝置包括爐腔；設(shè)置在爐腔內(nèi)的氬氣保護(hù)室；設(shè)置在氬氣保護(hù)室內(nèi)的多晶料密閉內(nèi)反應(yīng)室；設(shè)置在內(nèi)反應(yīng)室內(nèi)的合成坩堝；所述內(nèi)反應(yīng)室的一側(cè)底部通過(guò)連接管道與冷凝器相連通；所述合成坩堝通過(guò)連接管道依次穿過(guò)內(nèi)反應(yīng)室，氬氣保護(hù)室及爐腔與蒸發(fā)器相連通。本實(shí)用新型的磷化鍺鋅多晶體的合成裝置具有合成速率高、產(chǎn)物純度高、反應(yīng)完全、產(chǎn)出率高、安全防爆等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B25/08GK201864565SQ20102063195
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者吳東, 徐洪遠(yuǎn), 王云華, 王彪, 申亮 申請(qǐng)人:中山大學(xué)