碘化铅多晶合成与单晶生长研究

论文摘要

碘化铅（PbI2）晶体是一种极有前途的室温核辐射探测器材料，可用于探测1keV-1MeV范围内的γ射线和α射线，在制作大面积X射线成像阵列方面也具有诱人的前景。其禁带宽度大，电阻率高，平均原子序数较高，载流子迁移率寿命积较大，制成PbI2探测器具有较高的能量分辨率和探测效率。用PbI2晶体制作的探测器可在—200℃～130℃温度范围内使用和保存，与同类型的探测器相比具有明显优势。因此，PbI2晶体已成为近年来重点研究的室温核辐射探测器新材料之一。 目前，国外关于PbI2的研究报道不多，主要集中在晶体生长和探测器的试制方面，对PbI2多晶合成和单晶生长习性还没有进行深入细致的研究。因此，所生长的PbI2晶体质量不高，探测器性能不能令人满意。在国内，目前尚未见相关研究的报道。本文的研究目的就是，对PbI2多晶合成方法和单晶生长进行深入研究，探索生长高质量PbI2晶体的新工艺，生长出较大尺寸、完整性较好的PbI2单晶体，为PbI2探测器研制打下坚实的基础。 本文深入研究了PbI2多晶合成方法和单晶生长工艺。提出以富铅配料的两温区气相输运法（TVM）合成PbI2多晶的新工艺；描绘出含有液相分层区域的Pb-I相图；给出了生长高质量PbI2晶体的工艺参数确定原则；生长出尺寸较大、完整性较好、接近化学配比、红外透过性好（T=40％），禁带宽度大（Eg=2.27eV）、电阻率高(1010Ωcm量级)的PbI2单晶体，制作出PbI2室温核辐射探测器。在PbI2多晶合成和单晶生长方面取得了很好的研究结果，总结如下：

论文目录

• 1 引言
• 1.1 半导体材料概述
• 1.2 半导体核辐射探测器
• 1.3 室温半导体核辐射探测器材料
• 2晶体'>1.4 性能优异的PbI₂晶体
• 2晶体用途'>1.4.1 PbI₂晶体用途
• 2晶体结构及其主要性质'>1.4.2 PbI₂晶体结构及其主要性质
• 2晶体生长研究进展'>1.5 PbI₂晶体生长研究进展
• 2晶体'>1.5.1 气相法生长PbI₂晶体
• 2晶体'>1.5.2 凝胶法生长PbI₂晶体
• 2晶体'>1.5.3 熔体法生长PbI₂晶体
• 1.6 Pb-I系统相图研究现状
• 1.7 本研究选题依据和思路
• 1.8 小结
• 2多晶合成理论基础'>2 PbI₂多晶合成理论基础
• 2.1 合成反应的类型
• 2.2 合成反应机理
• 2.3 合成反应动力学
• 2.4 合成反应热力学
• 2.5 合成反应影响因素
• 2.6 小结
• 2多晶原料合成'>3 PbI₂多晶原料合成
• 2多晶原料来源'>3.1 PbI₂多晶原料来源
• 2多晶原料合成实验'>3.2 PbI₂多晶原料合成实验
• 3.2.1 反应物属性
• 3.2.2 合成实验方案设计—两温区气相输运合成法
• 3.2.3 合成安瓿形状设计
• 3.2.4 合成安瓿的设计计算
• 3.2.5 合成炉的设计
• 3.2.6 合成原料配比
• 3.2.7 合成工艺
• 3.3 合成结果与分析
• 3.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 3.3.2 黑色异类物质分析
• 3.3.3 液相分层及其观察
• 2多晶原料的影响'>3.3.4 富余铅对PbI₂多晶原料的影响
• 2相图的问题'>3.4 Pb-PbI₂相图的问题
• 3.5 Pb-I相图与液相分层
• 3.6 相变分析与Pb的沉积
• 2合成反应机理分析'>3.7 PbI₂合成反应机理分析
• 3.8 小结
• 2晶体生长理论基础'>4 PbI₂晶体生长理论基础
• 4.1 结晶过程的驱动力
• 4.2 溶质分凝与组分过冷
• 4.2.1 溶质分凝
• 4.2.2 组分过冷
• 4.3 界面稳定性
• 4.4 成核速率与线性生长速度
• 4.5 坩埚下降法（B-S法）
• 4.6 小结
• 2晶体的垂直布里奇曼法生长'>5 PbI₂晶体的垂直布里奇曼法生长
• 5.1 生长实验方案
• 5.1.1 生长方法选取
• 5.1.2 生长安瓿设计
• 5.1.3 生长温场设计
• 5.1.4 晶体生长装置
• 2晶体生长参数'>5.2 PbI₂晶体生长参数
• 5.2.1 晶体生长温场测量
• 5.2.2 温度梯度与生长界面
• 5.2.3 温度梯度与生长速率
• 5.2.4 降温冷却速率
• 2晶体生长工艺'>5.3 PbI₂晶体生长工艺
• 5.3.1 生长工艺1（Tech.1）
• 5.3.2 生长工艺2（Tech.2）
• 5.3.3 生长工艺3（Tech.3）
• 5.4 生长结果与分析讨论
• 5.4.1 晶体生长结果
• 5.4.2 晶体的成分分析
• 5.4.3 碘的蒸发与回流——温度场对晶体生长的影响
• 5.4.4 铅的沉积——晶锭颜色与硬度沿轴向的变化分析
• 5.4.5 铅的分离——黄色晶锭的成因分析
• 5.5 生长工艺参数选择原则
• 5.6 小结
• 2晶体的性能表征与分析'>6 PbI₂晶体的性能表征与分析
• 6.1 X射线衍射分析
• 6.2 红外透过性能表征
• 6.3 可见-紫外吸收光谱测试
• 6.4 室温电阻率测试
• 2探测器能谱测试'>6.5 PbI₂探测器能谱测试
• 6.6 小结
• 7 结论
• 8 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附件：博士学位期间发表的论文及参加的科研项目