专利名称：磷化锗锌多晶体的合成装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三元化合物多晶体材料的制备技术领域，特别是涉及一种磷 化锗锌多晶体的合成装置。
技术背景 黄铜矿类半导体晶体材料具有非线性光学系数和远红外区透过率很高的突出优 点。磷化锗锌(ZnGeP2，ZGP)晶体是黄铜矿类半导体晶体中综合性能最好的，它的优点十分 突出，它是所有已知的红外非线性光学晶体中非线性系数最高者之一，是目前实现高功率 中、远红外可调谐激光输出的最佳非线性材料，在民用、国防领域有着重要的应用价值。高 质量磷化锗锌多晶的合成是制备磷化锗锌单晶的前决条件。磷化锗锌多晶体的合成目前主要是单温区合成法和双温区合成法，但这些方法合 成速率低、单次合成量较小，且由于磷蒸气压较高，合成过程易发生爆炸；同时，由于这两种 方法常使用石英管进行真空封装，将多晶取出时要破坏石英管，石英管无法循环再用，大大 增加了生产成本，造成极大的物质浪费。另外，传统的磷化锗锌多晶体的合成方法产出率一般在80%左右，产出率不高，合 成的原料不纯，很难满足光学级优质单晶生长的需要。
发明内容本实用新型的目的在于，为了解决目前磷化锗锌多晶合成方法存在的合成速率 低、易爆炸、产出率不高、产物不纯、真空密封管不能循环利用的问题，而提出一种磷化锗锌 多晶体的合成装置。本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本实 用新型提出的一种磷化锗锌多晶体的合成装置，包括炉腔；设置在炉腔内的氩气保护室； 设置在氩气保护室内的多晶料密闭内反应室；设置在内反应室内的合成坩埚；所述内反应 室的一侧底部通过连接管道与冷凝器相连通；所述合成坩埚通过连接管道依次穿过内反应 室，氩气保护室及炉腔与蒸发器相连通。根据本实用新型实施例的磷化锗锌多晶体的合成装置，所述蒸发器通过一三通管 道与装有二硫化碳的废气处理瓶相连通，该三通管道的纵向管道和横向管道上分别设置有 气流控制阀，纵向管道上的气流控制阀的一端设计为氩气入口。根据本实用新型实施例的磷化锗锌多晶体的合成装置，所述冷凝器通过一三通管 道与装有二硫化碳的废气处理瓶相连通，该三通管道的纵向管道和横向管道上分别设置有 气流控制阀，纵向管道上的气流控制阀的一端设计为氩气入口。根据本实用新型实施例的磷化锗锌多晶体的合成装置，所述炉腔的两端分别设置 有保温隔热层，保温隔热层的内部设置有高温密封塞；该炉腔的材料可选择Al2O3陶瓷、石 墨、石英中的任意一种。根据本实用新型实施例的磷化锗锌多晶体的合成装置，所述合成坩埚的材料可选择使用石墨、石英或PBN坩埚；所述保温隔热层的材质为氧化锆或多孔石墨耐火砖。借由上述技术方案，本实用新型磷化锗锌多晶体的合成装置至少具有以下优点本实用新型具有合成速率高、产物纯度高、反应完全、产出率高、安全防爆等优点； 高纯氩气对反应过程的保护，高纯氩气作为载气缓慢把磷蒸气载入高温合成区域，合成过 程中，磷蒸发器与冷凝器交换加热或冷却；磷化锗锌多晶的合成速率分别是单温区合成法 及双温区合成法的5倍及2倍以上；与现有技术合成工艺不同在于，本实用新型合成舟及反 应管可以循环多次使用，大大节约了实验及生产成本。
图1为本实用新型的磷化锗锌多晶体合成装置示意图。图2为本实用新型实施例制备出的磷化锗锌多晶体的X射线粉末衍射图。图3为本实用新型另一实施例制备出的磷化锗锌多晶体的X射线粉末衍射图。图4为本实用新型又一实施例制备出的磷化锗锌多晶体的X射线粉末衍射图。11:炉腔12:氩气保护室13:内反应室14:合成坩埚15、15，保温层16、17:高温密封塞18:氩气入口20:蒸发器30:冷凝器40、40，废气处理瓶50,50'气流控制阀 60、60，氩气入口
具体实施方式
为了更详细的解释本实用新型所提出的磷化锗锌多晶料合成装置，
以下结合附图 及较佳实施例，对本实用新型进行详细阐述。应当理解，此处所描述的实施例仅仅是用以解 释本实用新型的设计，并不用于限定本实用新型。如图1所示，本实用新型的磷化锗锌多晶料合成装置，包括炉腔11，设置在炉腔 11内的氩气保护室12 ；设置在氩气保护室12内的多晶料密闭内反应室13，设置在内反应 室13内的合成坩埚14，内反应室13的一侧底部通过连接管道与冷凝器20相连通；合成坩 埚14通过连接管道依次穿过高温密封塞16，氩气保护室12及炉腔11的保温层15’与蒸发 器20相连通。该蒸发器20通过一三通管道与装有二硫化碳的废气处理瓶40相连通，该三 通管道的纵向管道和横向管道上分别设置有气流控制阀50，纵向管道上的气流控制阀的一 端设计为氩气入口 60。该冷凝器30通过一三通管道与装有二硫化碳的废气处理瓶40’相 连通，该三通管道的纵向管道和横向管道上分别设置有气流控制阀50’，纵向管道上的气流 控制阀的一端设计为氩气入口 60’。该炉腔11的两端分别设置有保温隔热层15、15’，保温隔热层15’的内部设置有高 温密封塞17。该炉腔11的材料可选择Al2O3陶瓷、石墨、石英中的任意一种。该氩气保护 室12的上端一侧通过一管道伸出炉腔11的保温隔热层15’之外，该管道的出口端设计为 氩气入口 18;内反应室13设计为反应管状，反应管的管口处用高温密封塞16密封。其中， 合成坩埚(多晶合成舟)14的材料可选择使用石墨、石英或PBN(氮化硼)坩埚；保温隔热 层15、15’的材质为氧化锆或多孔石墨耐火砖；高温密封塞16和17的材质为磨砂石英塞；内反应室13、氩气保护室12及与它们相连接的管道使用高纯石英材料。以下为磷化锗锌多晶料的制备方法实施例。实施例1将锌、锗按化学计量1 1比例重量配比共50g，在惰性气体保护下混合均勻并充分研磨后置入合成坩埚14内，将装有锌锗混合原料的合成坩埚14置于内反应室13中，按 图1连接内反应室13和氩气保护室12后置于炉腔(水平合成炉)11内，将内反应室13及 氩气保护室12抽真空后充入高纯氩气。氩气环境下秤取过量的磷加入蒸发器20内，按所 使用的锌及锗的化学计量，磷的量为锌或锗的化学计量的1. 3 1. 5倍。按图1连接管道 后，将反应管整体抽真空，用高纯氩气反复将整个气路及反应室清洗3 5次，以洗去管内 残留的空气或内壁的吸附杂质等。将内反应室(反应管)13加热至500 550°C并保持恒温，使冷凝器30冷却至0 5°C，加热蒸发器20至80 160°C，打开高纯氩气接入口 60缓慢通入氩气。当蒸发器20内 剩余磷的量少于初始量的1/4时，交换加热冷凝器30至80 160°C，冷却磷蒸发器20至 0 5°C，如此循环往复，直至反应完成。将内反应室13加热至920 1010°C，同时持续缓 慢通入磷与氩气的混合气，反应48-72h后，将内反应室13缓慢降温至400 V，然后关掉磷蒸 气，持续通入氩气。继续降温内反应室13至室温，将过量的磷回收，取出多晶料。本实用新 型实施例制备出的磷化锗锌多晶体的XRD(X射线粉末衍射图)结果如图2所示，数据表明 所制备的磷化锗锌多晶体单相性及结晶性能较好。实施例2将锌、锗按化学计量1 1.1比例重量配比共150g，在惰性气体保护下混合均勻并 充分研磨后置入合成坩埚14内，将装有锌锗混合原料的合成坩埚14置于内反应室13中， 按图1连接内反应室13和氩气保护室12后置于炉腔11内，将内反应室13及氩气保护室 12抽真空后充入高纯氩气。氩气环境下秤取过量的磷加入蒸发器20内，按所使用的锌及锗 的化学计量，磷的量为锌或锗的化学计量的1. 3 1. 5倍。按图1连接管道后用高纯氩气 反复将整个气路及反应室清洗3 5次。整个装置连接并清洗完成后，使冷凝器30(冷凝瓶)冷却至0 5°C，将内反应室 13加热至550 620°C并保持恒温，加热磷蒸发器20至160 220°C，打开高纯氩气接入口 60缓慢通入氩气。当磷蒸发器20内剩余磷的量少于初始量的1/4时，交换加热冷凝瓶30 至160 220°C，冷却磷蒸发器20至0 5°C ；当冷凝瓶内的磷蒸发减少至原来的1/4时， 再交换加热磷蒸发器20至160 220°C，冷却冷凝瓶20至0 5°C ；如此交换加热3 5 次。而后，将内反应室13加热至1010 1015°C，同时持续缓慢通入磷与氩气的混合气(氩 气/磷蒸气的流量比控制在10/1左右)，反应48-60h后，将内反应室13缓慢降温至400°C， 然后关掉磷蒸气，持续通入氩气，继续降温内反应室13至室温，将过量的磷回收，取出多晶 料。本实用新型实施例制备出的磷化锗锌多晶体的XRD(X射线粉末衍射图)结果如图3所 示，数据表明所制备的磷化锗锌多晶体单相性及结晶性能较好。实施例3将锌、锗按化学计量1 1.05比例重量配比共300g，在惰性气体保护下混合均勻 并充分研磨后置入合成坩埚14内，将装有锌锗混合原料的合成坩埚14置于内反应室13 中，按图1连接内反应室13和氩气保护室12后置于炉腔11内，将内反应室13及氩气保护室12抽真空后充入高纯氩气。氩气环境下秤取过量的磷加入蒸发器20内，按所使用的锌 及锗的化学计量，磷的量为锌或锗的化学计量的1. 3 1. 5倍。按图1连接管道后用高纯 氩气反复将整个气路及反应室清洗3 5次。整个装置连 接并清洗完成后，使冷凝瓶30冷却至-10 0°C，将内反应室13加 热至620 680°C并保持恒温，加热磷蒸发器20至220 40(TC，打开高纯氩气接入口 60 缓慢通入氩气。当磷蒸发器20内剩余磷的量少于初始量的1/5时，交换加热冷凝瓶30至 220 400°C，冷却磷蒸发器20至-10 0°C ；当冷凝瓶内的磷蒸发减少至原来的1/4时， 再交换加热磷蒸发器20至160 220°C，冷却冷凝瓶20至0 5°C ；如此交换加热3 5 次。而后，将内反应室13加热至1010 1015°C，同时持续缓慢通入磷与氩气的混合气，反 应48-60h后，将内反应室13缓慢降温至350°C，然后关掉磷蒸气，持续通入氩气，继续降温 内反应室13至室温，将过量的磷回收，取出多晶料。本实用新型实施例制备出的磷化锗锌 多晶体的XRD(X射线粉末衍射图)结果如图4所示，数据表明所制备的磷化锗锌多晶体单 相性及结晶性能较好。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施 例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于其包括炉腔；设置在炉腔内的氩气 保护室；设置在氩气保护室内的多晶料密闭内反应室；设置在内反应室内的合成坩埚；所 述内反应室的一侧底部通过连接管道与冷凝器相连通；所述合成坩埚通过连接管道依次穿 过内反应室，氩气保护室及炉腔与蒸发器相连通。
2.根据权利要求1所述的磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于所述蒸发器通过 一三通管道与装有二硫化碳的废气处理瓶相连通，该三通管道的纵向管道和横向管道上分 别设置有气流控制阀，纵向管道上的气流控制阀的一端设计为氩气入口。
3.根据权利要求1所述的磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于所述冷凝器通过 一三通管道与装有二硫化碳的废气处理瓶相连通，该三通管道的纵向管道和横向管道上分 别设置有气流控制阀，纵向管道上的气流控制阀的一端设计为氩气入口。
4.根据权利要求1所述的磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于所述炉腔的两端 分别设置有保温隔热层，保温隔热层的内部设置有高温密封塞。
5.根据权利要求4所述的磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于所述炉腔的材料 可选择Al2O3陶瓷、石墨、石英中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的磷化锗锌多晶体的合成装置，其特征在于所述合成坩埚的 材料可选择使用石墨、石英或PBN坩埚；所述保温隔热层的材质为氧化锆或多孔石墨耐火 砖。
专利摘要本实用新型公开了一种磷化锗锌多晶体的合成装置。该合成装置包括炉腔；设置在炉腔内的氩气保护室；设置在氩气保护室内的多晶料密闭内反应室；设置在内反应室内的合成坩埚；所述内反应室的一侧底部通过连接管道与冷凝器相连通；所述合成坩埚通过连接管道依次穿过内反应室，氩气保护室及炉腔与蒸发器相连通。本实用新型的磷化锗锌多晶体的合成装置具有合成速率高、产物纯度高、反应完全、产出率高、安全防爆等优点。
文档编号C01B25/08GK201864565SQ20102063195
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者吴东, 徐洪远, 王云华, 王彪, 申亮 申请人:中山大学