硒化鋅(ZnSe)陶瓷具有優異的中紅外和遠紅外透射率（0.5~22 μm）、高折射率（2.3~2.5）和高非線性折射率（800 nm時非線性折射率為4×10−14 cm2/W）等特點,為重要的紅外光學材料[1-2]。ZnSe通常用于高分辨率紅外熱成像和“多光學復合”檢測系統。同時,ZnSe作為一種重要的直接帶隙Ⅱ-Ⅵ族半導體陶瓷材料,其禁帶寬度為 2.6 eV[3-4]。與CdS和CdSe等陶瓷材料相比,硒化鋅是一種低毒性半導體材料,在發光二極管、藍綠色半導體激光器及中紅外激光器等光電子器件上,以及光伏太陽能電池、生物醫學標記等方面具有很高的應用價值。 

顯微組織一方面記錄了材料制備過程中的一些關鍵信息,另一方面又在一定程度上決定了材料性能的優劣[5-6]。金相檢驗是研究材料內部組織最直觀、高效的科學技術手段之一。無論是對硒化鋅陶瓷材料制備過程中產生的分層、微裂紋、孔洞等顯微缺陷的檢測,還是對其組織均勻性分析、晶粒度評定工作的開展,都極其依賴高質量的陶瓷材料金相檢驗制樣技術及組織顯示技術[7-8]。迄今為止,針對硒化鋅多晶陶瓷材料的金相檢驗腐蝕方法國內外少有報道。硒化鋅多晶陶瓷材料是研發高性能光電子器件的關鍵原材料,開展硒化鋅的顯微組織研究符合高端光電陶瓷材料的發展方向。筆者對硒化鋅金相檢驗的腐蝕方法進行研究,結果可為提高硒化鋅陶瓷材料的產品質量提供支持。 

1.   試樣制備與試驗方法

1.1   試樣制備

試驗原材料為化學氣相沉積（CVD）法制備的硒化鋅多晶陶瓷,采用超精密飛刀車削加工獲得直徑為5 mm、厚度為10 mm的硒化鋅陶瓷試樣。試樣的鑲嵌方式為冷鑲,將硒化鋅陶瓷待測面向下置于冷鑲模具中,加入攪拌均勻的冷鑲嵌料（液態環氧樹脂質量為90~120 g,環氧固化劑質量為10~20 g）,使試樣被完全浸沒,采用真空浸漬裝置抽真空,室溫固化8~24 h,脫模。依次用120,240,500,1 200,2 500目（1目=25.4 mm）的碳化硅水砂紙研磨試樣,每換一次砂紙,試樣需轉動45°~135°,直至將上一級劃痕完全去除。用粒度為2.5 μm的金剛石拋光劑消除細磨留下的磨痕,再用粒度為1.0 μm的金剛石拋光劑精拋2~5 min,得到表面平整、光亮的硒化鋅陶瓷金相試樣[9-10]。 

1.2   試驗方法

采用X射線衍射儀（XRD）觀察硒化鋅陶瓷金相試樣表面的物相結構,用JADE6.5軟件分析采集到的數據。基于實驗室腐蝕氧化鋅、氧化鋯等陶瓷及相關材料的技術經驗總結,并查閱國內外相關金相檢驗腐蝕手冊和技術文獻,采用表1所示的5種金相檢驗腐蝕方法開展試驗研究。將腐蝕后的試樣清洗、吹干后,置于光學顯微鏡下觀察。采用金相分析軟件對硒化鋅陶瓷顯微組織進行分析,評定其晶粒度。 

2.   試驗結果

硒化鋅陶瓷試樣的XRD分析結果如圖1所示。由圖1可知：當衍射角度為27.2°、45.2°和53.6°時,可見3條清晰的特征衍射峰,與標準譜圖中的（111）、（220）和（311）晶面峰位有良好對應關系,說明試樣是閃鋅礦結構的ZnSe。 

圖  1  硒化鋅陶瓷試樣的XRD分析結果

圖2為采用方法1腐蝕試樣的微觀形貌。由圖2可知：試樣表面無明顯變化,試樣表面仍呈拋光態特征,其顯微組織未能成功顯現,因為硫酸是強氧化性酸,易在硒化鋅陶瓷表面產生氧化膜,阻礙了腐蝕的進行。 

圖  2  采用方法1腐蝕試樣的微觀形貌

圖3為采用方法2腐蝕試樣的顯微組織形貌。由圖3可知：試樣顯微組織基本顯現,隱約可見孿晶及陶瓷晶粒,但圖片襯度較低,試樣晶界輪廓尚不清晰,無法開展顯微組織分析及晶粒度評定等工作。 

圖  3  采用方法2腐蝕試樣的顯微組織形貌

圖4為采用方法3腐蝕試樣的顯微組織形貌。由圖4可知：試樣顯微組織僅顯現出部分晶粒的形貌,整體晶界顯示較淺,晶粒輪廓較為模糊,在對試樣進行晶粒度評定及組織均勻性分析時,易產生較大誤差。 

圖  4  采用方法3腐蝕試樣的顯微組織形貌

圖5為采用方法4腐蝕試樣的顯微組織形貌。由圖5可知：常溫腐蝕時,試樣表面不同區域的腐蝕速率差異較大,局部區域腐蝕較為劇烈,大部分區域腐蝕速率相對較慢,且顯微組織較為模糊,晶粒形貌難以辨認,無法有效開展顯微組織分析及晶粒度評定工作。 

圖  5  采用方法4腐蝕試樣的顯微組織形貌

圖6為采用方法5腐蝕5 s和20 s后試樣的顯微組織形貌。由圖6可知：試樣表面未見孔洞、微裂紋及分層,其顯微組織整體較為均勻,晶界輪廓明顯、晶粒形貌清晰可辨,表明采用濃鹽酸蒸汽氛圍腐蝕方法可有效顯示硒化鋅陶瓷的晶界。因為熱的濃鹽酸蒸汽對拋光態硒化鋅試樣表面具有活化作用,以及HCl分子對硒化鋅多晶陶瓷材料晶界具有優先腐蝕作用,使硒化鋅陶瓷材料的顯微組織充分顯示出來。參考GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》,采用截點法對試樣進行晶粒度評定,當腐蝕時間為5,20 s時,試樣的平均晶粒直徑分別為77.2,66.3 μm,試樣的晶粒度分別為4.5,5.0級。 

圖  6  采用方法5腐蝕5 s和20 s后試樣的顯微組織形貌

圖7為采用方法5腐蝕30 s后試樣的顯微組織形貌。由圖7可知：繼續延長腐蝕時間至30 s,鹽酸蒸汽對硒化鋅多晶陶瓷晶界的優先腐蝕作用不明顯,晶界和晶內的腐蝕速率差異變小,晶內開始出現大量孿晶,晶界輪廓難以辨認,晶粒形貌較為模糊。說明延長腐蝕時間后,濃鹽酸蒸汽氛圍對硒化鋅陶瓷的腐蝕效果變差。 

圖  7  采用方法5腐蝕30 s后試樣的顯微組織形貌

3.   結語

（1）相較于其他4種腐蝕方法,采用方法5腐蝕硒化鋅試樣可獲得晶界輪廓明顯、晶粒形貌顯示清晰的顯微組織。 

（2）采用截點法對硒化鋅試樣進行晶粒度評定,當腐蝕時間為5,20 s時,試樣的平均晶粒直徑分別為77.2,66.3 μm,試樣的晶粒度分別為4.5,5.0級。 

（3）采用方法5腐蝕硒化鋅試樣的適宜時間為5~20 s,腐蝕時間過長,會使試樣晶內出現大量孿晶,晶界輪廓模糊,腐蝕效果變差。

文章來源——材料與測試網