硫化锌宽禁带材料的光学性能及其影响因素

硫化锌（ZnS）是一种宽禁带（3.72 eV）II-VI族半导体材料，在近红外（1～3μm）、中红外（3～5μm）、远红外（8～12μm）等多个光谱波段具有较高的光学透过率，具有适中的机械性能、热学性能和化学稳定性，是一类重要的光电子功能材料。多光谱波段透过型ZnS体材料在整流罩、红外透镜、红外窗口等领域具有广泛应用。

据麦姆斯咨询报道，昆明物理研究所赵劲松教授与云南大学云南省高校光电器件工程重点实验室郑丽和教授课题组共同合作在《红外技术》期刊上发表了以“硫化锌体材料制备及其光学性能研究进展”为主题的综述文章。赵劲松教授主要从事红外热像仪总体技术、装配与测试技术、偏振成像技术及多光谱成像技术等方面的研究工作，郑丽和教授主要从事激光材料与器件及其应用、先进室温键合技术在激光领域的研究工作。

这项研究综述了ZnS体材料的制备技术包括热压技术、化学气相沉积＋热等静压技术等及其关键制备参数，分析ZnS体材料的光学性能及其影响因素，并结合国防、安防及民用领域的需求，展望了ZnS体材料未来的发展方向。

CVT工艺步骤示意图

红外光学ZnS体材料制备技术主要包括化学气相输运（CVT）、熔体生长、热升华、热压（HP）、化学气相沉积（CVD）及其后续的热等静压（HIP）等。基于CVD和HP技术制备的ZnS在10.6μm处的透过率大于70%，能满足红外光学应用要求。而基于熔体生长和升华法技术制备的ZnS，由于其透过率低，无法满足红外应用。基于CVT技术制备的ZnS，其透过率数据尚未见报道。目前，只有HP和CVD-HIP技术实现了商业应用。

不同沉积温度条件下ZnS-std晶体表面形貌及颜色(a)600℃，(b)670℃，(c)720℃，(d)750℃

不同方法制备ZnS材料的光学性能差别较大。CVT制备技术采用ZnS粉末原料和气体输运剂如HCl、NH4Cl或I2等，易在ZnS晶体中引入不同程度的杂质缺陷，严重影响ZnS的光学透过性能，限制了该技术在红外光学领域的应用与进一步发展。熔体法制备的ZnS体材料内部通常含有大量络合物杂质和缺陷，晶体结构不完善，存在明显杂质吸收，光学性能显著降低；且力学性能远远不如CVD-ZnS，无法满足红外光学应用要求。HP-ZnS的光学透过性能与ZnS纳米粉体的制备、热压、后热处理等工艺条件密切相关。HP-ZnS透过性能可满足8～12μm长波红外应用需求，已实现商业应用。对ZnS-std进行高温高压HIP处理，获得无色透明多色ZnS-ms。HIP及金属添加剂均可提高ZnS-std体材料在可见光至红外波段光学透过性能。

不同尺度下ZnS-std（左）和ZnS-ms（右）的表面形貌

当前制备红外光学材料ZnS体材料的主要技术手段为HP与化学气相沉积＋热等静压联用（CVD＋HIP），两者相辅相成、相得益彰。HP-ZnS技术由于生产周期短、可近尺寸生产整流罩等，成为当前研究关注的重点；未来工作重点在于提高严格服役条件下的机械强度等。基于CVD＋HIP技术制备的无色透明多光谱ZnS（ZnS-ms），将在国防、安防及民用领域如车辆夜视系统的红外成像仪和多光谱成像仪日益增长的需求带动下，带动红外ZnS体材料的技术进步和发展。

该项目获得云南省科技创新强省计划项目（2014AA023）、军委装备发展部技术基础科研项目、国家自然科学基金（62165017）和云南省科技厅基础研究项目（202201AS070013、202101AT070162）的支持。该研究第一作者为昆明物理研究所高级工程师吴绍华，主要从事红外光学材料方面的研究工作。

编辑：黄飞