分享：硒化锌多晶陶瓷显微组织的显示方法

摘要：硒化锌(ZnSe)陶瓷具有优异的中红外和远红外透射率（0.5~22 μm）、高折射率（2.3~2.5）和高非线性折射率（800 nm时非线性折射率为4×10−14 cm2/W）等特点,为重要的红外光学材料[1-2]。ZnSe通常用于高分辨率红外热成像和“多光学

硒化锌(ZnSe)陶瓷具有优异的中红外和远红外透射率（0.5~22 μm）、高折射率（2.3~2.5）和高非线性折射率（800 nm时非线性折射率为4×10−14 cm2/W）等特点,为重要的红外光学材料[1-2]。ZnSe通常用于高分辨率红外热成像和“多光学复合”检测系统。同时,ZnSe作为一种重要的直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体陶瓷材料,其禁带宽度为 2.6 eV[3-4]。与CdS和CdSe等陶瓷材料相比,硒化锌是一种低毒性半导体材料,在发光二极管、蓝绿色半导体激光器及中红外激光器等光电子器件上,以及光伏太阳能电池、生物医学标记等方面具有很高的应用价值。

显微组织一方面记录了材料制备过程中的一些关键信息,另一方面又在一定程度上决定了材料性能的优劣[5-6]。金相检验是研究材料内部组织最直观、高效的科学技术手段之一。无论是对硒化锌陶瓷材料制备过程中产生的分层、微裂纹、孔洞等显微缺陷的检测,还是对其组织均匀性分析、晶粒度评定工作的开展,都极其依赖高质量的陶瓷材料金相检验制样技术及组织显示技术[7-8]。迄今为止,针对硒化锌多晶陶瓷材料的金相检验腐蚀方法国内外少有报道。硒化锌多晶陶瓷材料是研发高性能光电子器件的关键原材料,开展硒化锌的显微组织研究符合高端光电陶瓷材料的发展方向。笔者对硒化锌金相检验的腐蚀方法进行研究,结果可为提高硒化锌陶瓷材料的产品质量提供支持。

1. 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原材料为化学气相沉积（CVD）法制备的硒化锌多晶陶瓷,采用超精密飞刀车削加工获得直径为5 mm、厚度为10 mm的硒化锌陶瓷试样。试样的镶嵌方式为冷镶,将硒化锌陶瓷待测面向下置于冷镶模具中,加入搅拌均匀的冷镶嵌料（液态环氧树脂质量为90~120 g,环氧固化剂质量为10~20 g）,使试样被完全浸没,采用真空浸渍装置抽真空,室温固化8~24 h,脱模。依次用120,240,500,1 200,2 500目（1目=25.4 mm）的碳化硅水砂纸研磨试样,每换一次砂纸,试样需转动45°~135°,直至将上一级划痕完全去除。用粒度为2.5 μm的金刚石抛光剂消除细磨留下的磨痕,再用粒度为1.0 μm的金刚石抛光剂精抛2~5 min,得到表面平整、光亮的硒化锌陶瓷金相试样[9-10]。

1.2 试验方法

采用X射线衍射仪（XRD）观察硒化锌陶瓷金相试样表面的物相结构,用JADE6.5软件分析采集到的数据。基于实验室腐蚀氧化锌、氧化锆等陶瓷及相关材料的技术经验总结,并查阅国内外相关金相检验腐蚀手册和技术文献,采用表1所示的5种金相检验腐蚀方法开展试验研究。将腐蚀后的试样清洗、吹干后,置于光学显微镜下观察。采用金相分析软件对硒化锌陶瓷显微组织进行分析,评定其晶粒度。

Table 1. 硒化锌陶瓷金相检验腐蚀方法

2. 试验结果

硒化锌陶瓷试样的XRD分析结果如图1所示。由图1可知：当衍射角度为27.2°、45.2°和53.6°时,可见3条清晰的特征衍射峰,与标准谱图中的（111）、（220）和（311）晶面峰位有良好对应关系,说明试样是闪锌矿结构的ZnSe。

图 1 硒化锌陶瓷试样的XRD分析结果

图2为采用方法1腐蚀试样的微观形貌。由图2可知：试样表面无明显变化,试样表面仍呈抛光态特征,其显微组织未能成功显现,因为硫酸是强氧化性酸,易在硒化锌陶瓷表面产生氧化膜,阻碍了腐蚀的进行。

图 2 采用方法1腐蚀试样的微观形貌

图3为采用方法2腐蚀试样的显微组织形貌。由图3可知：试样显微组织基本显现,隐约可见孪晶及陶瓷晶粒,但图片衬度较低,试样晶界轮廓尚不清晰,无法开展显微组织分析及晶粒度评定等工作。

图 3 采用方法2腐蚀试样的显微组织形貌

图4为采用方法3腐蚀试样的显微组织形貌。由图4可知：试样显微组织仅显现出部分晶粒的形貌,整体晶界显示较浅,晶粒轮廓较为模糊,在对试样进行晶粒度评定及组织均匀性分析时,易产生较大误差。

图 4 采用方法3腐蚀试样的显微组织形貌

图5为采用方法4腐蚀试样的显微组织形貌。由图5可知：常温腐蚀时,试样表面不同区域的腐蚀速率差异较大,局部区域腐蚀较为剧烈,大部分区域腐蚀速率相对较慢,且显微组织较为模糊,晶粒形貌难以辨认,无法有效开展显微组织分析及晶粒度评定工作。

图 5 采用方法4腐蚀试样的显微组织形貌

图6为采用方法5腐蚀5 s和20 s后试样的显微组织形貌。由图6可知：试样表面未见孔洞、微裂纹及分层,其显微组织整体较为均匀,晶界轮廓明显、晶粒形貌清晰可辨,表明采用浓盐酸蒸汽氛围腐蚀方法可有效显示硒化锌陶瓷的晶界。因为热的浓盐酸蒸汽对抛光态硒化锌试样表面具有活化作用,以及HCl分子对硒化锌多晶陶瓷材料晶界具有优先腐蚀作用,使硒化锌陶瓷材料的显微组织充分显示出来。参考GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》,采用截点法对试样进行晶粒度评定,当腐蚀时间为5,20 s时,试样的平均晶粒直径分别为77.2,66.3 μm,试样的晶粒度分别为4.5,5.0级。