硫化鋅（ZnS）是一種寬禁帶（3.72 eV）II-VI族半導(dǎo)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(xué)透過率，具有適中的機械性能、熱學(xué)性能和化學(xué)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(lǐng)域具有廣泛應(yīng)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(xué)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(shù)》期刊上發(fā)表了以“硫化鋅體材料制備及其光學(xué)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(shù)、裝配與測試技術(shù)、偏振成像技術(shù)及多光譜成像技術(shù)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(yīng)用、先進室溫鍵合技術(shù)在激光領(lǐng)域的研究工作。

這項研究綜述了ZnS體材料的制備技術(shù)包括熱壓技術(shù)、化學(xué)氣相沉積＋熱等靜壓技術(shù)等及其關(guān)鍵制備參數(shù)，分析ZnS體材料的光學(xué)性能及其影響因素，并結(jié)合國防、安防及民用領(lǐng)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(xué)ZnS體材料制備技術(shù)主要包括化學(xué)氣相輸運（CVT）、熔體生長、熱升華、熱壓（HP）、化學(xué)氣相沉積（CVD）及其后續(xù)的熱等靜壓（HIP）等。基于CVD和HP技術(shù)制備的ZnS在10.6μm處的透過率大于70%，能滿足紅外光學(xué)應(yīng)用要求。而基于熔體生長和升華法技術(shù)制備的ZnS，由于其透過率低，無法滿足紅外應(yīng)用。基于CVT技術(shù)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(shù)實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)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(xué)性能差別較大。CVT制備技術(shù)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(xué)透過性能，限制了該技術(shù)在紅外光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(luò)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(xué)性能顯著降低；且力學(xué)性能遠遠不如CVD-ZnS，無法滿足紅外光學(xué)應(yīng)用要求。HP-ZnS的光學(xué)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(guān)。HP-ZnS透過性能可滿足8～12μm長波紅外應(yīng)用需求，已實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)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(xué)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(xué)材料ZnS體材料的主要技術(shù)手段為HP與化學(xué)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(shù)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(guān)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。基于CVD＋HIP技術(shù)制備的無色透明多光譜ZnS（ZnS-ms），將在國防、安防及民用領(lǐng)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(shù)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(shù)基礎(chǔ)科研項目、國家自然科學(xué)基金（62165017）和云南省科技廳基礎(chǔ)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(xué)材料方面的研究工作。

編輯：黃飛