硫化鋅寬禁帶材料的光學性能及其影響因素

硫化鋅（ZnS）是一種寬禁帶（3.72 eV）II-VI族半導體材料，在近紅外（1～3μm）、中紅外（3～5μm）、遠紅外（8～12μm）等多個光譜波段具有較高的光學透過率，具有適中的機械性能、熱學性能和化學穩(wěn)定性，是一類重要的光電子功能材料。多光譜波段透過型ZnS體材料在整流罩、紅外透鏡、紅外窗口等領域具有廣泛應用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，昆明物理研究所趙勁松教授與云南大學云南省高校光電器件工程重點實驗室鄭麗和教授課題組共同合作在《紅外技術》期刊上發(fā)表了以“硫化鋅體材料制備及其光學性能研究進展”為主題的綜述文章。趙勁松教授主要從事紅外熱像儀總體技術、裝配與測試技術、偏振成像技術及多光譜成像技術等方面的研究工作，鄭麗和教授主要從事激光材料與器件及其應用、先進室溫鍵合技術在激光領域的研究工作。

這項研究綜述了ZnS體材料的制備技術包括熱壓技術、化學氣相沉積＋熱等靜壓技術等及其關鍵制備參數(shù)，分析ZnS體材料的光學性能及其影響因素，并結(jié)合國防、安防及民用領域的需求，展望了ZnS體材料未來的發(fā)展方向。

CVT工藝步驟示意圖

紅外光學ZnS體材料制備技術主要包括化學氣相輸運（CVT）、熔體生長、熱升華、熱壓（HP）、化學氣相沉積（CVD）及其后續(xù)的熱等靜壓（HIP）等。基于CVD和HP技術制備的ZnS在10.6μm處的透過率大于70%，能滿足紅外光學應用要求。而基于熔體生長和升華法技術制備的ZnS，由于其透過率低，無法滿足紅外應用?；贑VT技術制備的ZnS，其透過率數(shù)據(jù)尚未見報道。目前，只有HP和CVD-HIP技術實現(xiàn)了商業(yè)應用。

不同沉積溫度條件下ZnS-std晶體表面形貌及顏色(a)600℃，(b)670℃，(c)720℃，(d)750℃

不同方法制備ZnS材料的光學性能差別較大。CVT制備技術采用ZnS粉末原料和氣體輸運劑如HCl、NH4Cl或I2等，易在ZnS晶體中引入不同程度的雜質(zhì)缺陷，嚴重影響ZnS的光學透過性能，限制了該技術在紅外光學領域的應用與進一步發(fā)展。熔體法制備的ZnS體材料內(nèi)部通常含有大量絡合物雜質(zhì)和缺陷，晶體結(jié)構(gòu)不完善，存在明顯雜質(zhì)吸收，光學性能顯著降低；且力學性能遠遠不如CVD-ZnS，無法滿足紅外光學應用要求。HP-ZnS的光學透過性能與ZnS納米粉體的制備、熱壓、后熱處理等工藝條件密切相關。HP-ZnS透過性能可滿足8～12μm長波紅外應用需求，已實現(xiàn)商業(yè)應用。對ZnS-std進行高溫高壓HIP處理，獲得無色透明多色ZnS-ms。HIP及金屬添加劑均可提高ZnS-std體材料在可見光至紅外波段光學透過性能。

不同尺度下ZnS-std（左）和ZnS-ms（右）的表面形貌

當前制備紅外光學材料ZnS體材料的主要技術手段為HP與化學氣相沉積＋熱等靜壓聯(lián)用（CVD＋HIP），兩者相輔相成、相得益彰。HP-ZnS技術由于生產(chǎn)周期短、可近尺寸生產(chǎn)整流罩等，成為當前研究關注的重點；未來工作重點在于提高嚴格服役條件下的機械強度等?；贑VD＋HIP技術制備的無色透明多光譜ZnS（ZnS-ms），將在國防、安防及民用領域如車輛夜視系統(tǒng)的紅外成像儀和多光譜成像儀日益增長的需求帶動下，帶動紅外ZnS體材料的技術進步和發(fā)展。

該項目獲得云南省科技創(chuàng)新強省計劃項目（2014AA023）、軍委裝備發(fā)展部技術基礎科研項目、國家自然科學基金（62165017）和云南省科技廳基礎研究項目（202201AS070013、202101AT070162）的支持。該研究第一作者為昆明物理研究所高級工程師吳紹華，主要從事紅外光學材料方面的研究工作。

編輯：黃飛