溶液法生长碘化汞晶体及机理分析

发布时间：2017-12-10 05:07

  本文关键词：溶液法生长碘化汞晶体及机理分析

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【摘要】：碘化汞(α-HgI2)晶体是直接跃迁宽带隙的Ⅱ-Ⅶ族化合物半导体,其原子序数高(Z,g=80,Z1=53),禁带宽度大(300K,2.13eV),体暗电阻率高(ρ1013Q·cm)、电离效率高(52%),光电吸收系数大,探测效率高,能量分辨率好,对X、y射线有较高的灵敏度等一系列良好的特征,是制备良好室温半导体探测器的材料,其在核辐射探测,数字记录,医学成像,土壤环境检测等领域,都有着广泛的研究和应用价值。目前,多晶α-HgI2薄膜在成像领域有着深入的发展和应用。在晶体结构研究中,择优生长的α-HgI2多晶薄膜可达到1014Ω·cm的电阻率,大大降低成像探测器的漏电流,同时和像素匹配的多晶颗粒可以获得更好的空间分辨率。因此获得高择优取向的多晶薄膜成为核辐射探测和医学成像器件的研究热点。获得高择优取向多晶α-HgI2薄膜可采用精密温控技术或者辅助定向生长技术来实现,而溶液法生长α-HgI2籽晶层后再进行气相外延薄膜生长是一种有效的方法。近年来由于高纯溶剂商品的普及,采用溶液法生长成像用多晶薄膜的外延衬底层及优质单晶成为可能。因此本课题以大块单晶及择优生长的同质外延籽晶层生长为主要研究内容。为了获得α-HgI2单晶,通过BFDH(Bravais-Friedel-Donnay-Harker)法则预测晶体的理想形貌。确定晶体重要晶面的显露顺序为{001}{101}{110}；采用二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,在初始温度为25℃,每4h升温1℃,生长时间为4天的工艺下,成功获得自然面积约25mmm2的HgI2晶体。X射线衍射(XRD)测试表明,生长的晶体最大晶面为(001),晶体形貌与预测结果非常接近。为了获得具有较好朝向性的籽晶样品,建立了DMSO-H2O-HgI2、HgCl2-KI-H2O、 HgO-HI-H2O、HgI2-HI-H2O三大体系,分析了体系中的离子／配合物种类,确定体系中存在的生长单元；观察的籽晶样品表面形貌；测了籽晶的择优生长取向。在DMSO-H2O-HgI2体系中,配制HgI2:DMSO=0.00375g/mL,在35℃以1滴/3s的速度加入20mL的去离子水获得单一[011]晶向的α-HgI2籽晶样品：配制HgI2:DMSO=0.0025g/mL在25℃以1滴/s的速度加入20mL的去离子水获得具有单一[001]菱形形貌的β-HgI2M晶体,并研究了β-HgI2M向α-HgI2的相变动力学研究。结果表明：β-HgI2M→α-HgI2相变是β-HgI2M中Ⅰ原子/离子通过短程扩散,与相邻分子中Hg配位键合的结构重构一级相变。在HgCl2-KI-H2O体系,配制[Hg2+]:[I-]＝1:3的溶液,室温下获得具有[001]晶向的α-HgI2籽晶层；在HgO-HI-H2O和HgI2-HI-H2O体系中,控制[Hg2+]:[Ⅰ-]1：6时,获得树枝状HgI2晶体,利用津岛紫外-可见分光光度计研究了体系中的存在单元,表明Hgl2分子是形成树枝状晶体的主要生长单元；利用分形原理计算枝状晶分形维数D=1.45,表明晶体的生长受到扩散机制影响。采用二维DLA模型进一步分析了晶体的生长过程,证实了分子的无规则扩散是树枝晶形成原因：在HgI2-HI-H2O体系中控制[Hg2+]：[Ⅰ-]=1：4获得具有近似方形形貌的β-HgI2M晶体。记录了β-HgI2M的生长过程以及β-HgI2M→α-HgI2相变过程。XRD分析晶体结构,晶体空间群为Cmc2i|。β-HgI2晶体的生长界面夹角为65.02°,生长界面夹角与单胞β-HgI2M结构中的(110)和(110)晶面夹角(65.16°)吻合,表明晶体的生长主要受结构因素控制。通过附着能计算表明β-HgI2M的晶面重要性如下排序：{001}{110}{111}{112}{010}。在β-HgI2M→α-HgI2相变中,相变过程是从表及里的层状相变结构重构一级相变。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O78;TQ132.47

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本文编号：1273223