Lazer uygulamaları için şeffaf polikristal formunda çinko selenit (ZnSe) peletlerin geliştirilmesi

Bilindiği üzere bir malzemenin elektromanyetik spektrumun belirli bölgelerinde şeffaf özellik göstermesi onun, lazerler, optik spektroskopi cihazları içersinde yer alan optik pencereler, daha çok askeri sanayide kullanılan şeffaf zırhlar gibi birçok konuda akla gelen ilk malzeme olmasına sebep olmaktadır. Kendisine oldukça geniş bir alanda kullanım imkanı bulma potensiyeli taşıyan şeffaflık özelliği ile seramiklerin mekanik dayanıklılığı, yüksek sıcaklık altındaki kararlılığı, korozyona karşı yüksek dirençli olmaları gibi özelliklerini bir araya getirme düşüncesi, hem akademinin hem de özel sektörün şeffaf seramiklere olan ilgisini oldukça artırmaktadır. Günümüzde farklı kompozisyonlarda birçok şeffaf seramiğin üretimi mümkündür ve herbiri sahip oldukları fiziksel, kimyasal ve optik özelliklerine göre oldukça geniş bir yelpazede hali hazırda kullanılmaktadır. Bahsi geçen şeffaf seramikler arasında özellikle ZnSe kendine has bazı avantajlara sahiptir. Atmosfer ortamında 300 °C sıcaklığa kadar oksitlenmemesi, kırılma indisinin sıcaklığa bağlı değişiminin az olması, değişen dalga boylarında kırılma indisindeki homojenite, toksik olmaması, düşük fonon enerjisine sahip bir kristal olması, kübik kristal yapıda olması sebebi ile izotropik özellikler göstermesi ve elektromanyetik spekturumun geniş bir aralığında (0.6–21μm) şeffaf olması ile birçok şeffaf seramiğe karşı üstünlük kurmaktadır. Bahsi geçen avantajların hemen hepsi şeffaf ZnSe seramiklerinin lazer kristalleri olarak kullanılmasında büyük teşvik kaynağıdır. Özellikle orta-kızılaltı bölgede, farklı rejimlerde çalışabilen lazerlerde konak malzeme olarak sıkça ZnSe tercih edilmektedir. Şimdiye kadar ışık geçirgenliği en yüksek polikristal ZnSe malzemeleri kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile üretilmiştir. Fakat bu yöntemin H2S, H2Se gibi çevre için oldukça toksik gazlar kullanılmasını zorunlu kılması, görece düşük kristal büyütme hızına sahip olması ve üretim sürecinin pahalı olması, şeffaf ZnSe malzemesinin üretiminde yeni yöntemlerin arayışının arkasında yatan en önemli nedenlerdir. Bu tezde katı hal sentezi yöntemi, birlikte çöktürme yöntemi ve mekanik alaşımlama yöntemi kullanılarak elde edilen toz formdaki polikristal ZnSe malzemesinin ve kimyasal buhar taşınımı yöntemi kullanılarak elde edilen tek kristal ZnSe malzemelerinin kimyasal ve mikro yapısal analizleri yapılmıştır. Elde edilen toz polikristal ZnSe malzemeleri farklı sinterleme parametreleri kullanılarak kıvılcım plazma sinterleme yöntemi ile preslenmiştir. Bu işlem sonucunda elde edilen dairesel formda katı ZnSe malzemelerinin kimyasal, yapısal ve optik analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlere göre sinterlenecek toz malzemenin içersindeki en küçük safsızlığın, geniş bir aralıkta parçacık boyutu dağılımına sahip olmasının ve küçük kristal boyutlarından meydan gelmesinin sinterleme sonucunda elde edilen ZnSe malzemesinin optik geçirgenliğini önemli miktarda azalttığı belirlenmiştir. Ayrıca kıvılcım plazma sinterleme metodunda kullanılan grafit kalıptan malzemeye karbon geçişi saptanmış ve malzemedeki karbon safsızlığının malzemenin renginin siyah tonlarında olmasına ışık geçirgenliğin azalmasına sebep olduğu belirlenmiştir. Malzemenin karbon ile kontamine olmaması ve sinterlenen malzemenin büyük kristal boyutlarında ve daha az porlu yapıya sahip olması Ar veya vakum ortamında saflaştırma (ısıl işlem) uygulanarak ve kıvılcım plasma sinterleme parametreleri optimize edilerek sağlanmıştır. En iyi örnek katı hal yöntemi ile sentezlenen toz ZnSe malzemesinin 1200 °C sıcaklıkta 150 dk sinterlenmesi ile elde edilmiştir. Bu örnekler uzak kızıl ötesi bölgelerde yaklaşık %50 ışık geçirgenliğine ulaşabilmektedir. Kimyasal buhar taşınımı yöntemi ile tek kristal ZnSe sentezinde ise bilindiği kadarıyla ZnCl2 ilk kez transfer ajanı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem ile farklı ısı gradyantları altında ve farklı miktarlarda taşıma ajanı kullanılarak yapılan deneylerde 2 mm boyuna ulaşabilen tek kristal ZnSe sentezi başarıyla gerçekleştirilmiştir.