碘化鉛多晶合成與單晶生長(zhǎng)研究.pdf

1、碘化鉛（PbI<'2>）晶體是一種極有前途的室溫核輻射探測(cè)器材料，可用于探測(cè)1keV-1MeV范圍內(nèi)的γ射線和α射線，在制作大面積X射線成像陣列方面也具有誘人的前景。其禁帶寬度大，電阻率高，平均原子序數(shù)較高，載流子遷移率壽命積較大，制成PbI<,2>探測(cè)器具有較高的能量分辨率和探測(cè)效率。用PbI<,2>晶體制作的探測(cè)器可在－200℃～130℃溫度范圍內(nèi)使用和保存，與同類型的探測(cè)器相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，PbI<,2>晶體己成為近年來重點(diǎn)

2、研究的室溫核輻射探測(cè)器新材料之一。 目前，國(guó)外關(guān)于PbI<,2>的研究報(bào)道不多，主要集中在晶體生長(zhǎng)和探測(cè)器的試制方面，對(duì)PbI<,2>多晶合成和單晶生長(zhǎng)習(xí)性還沒有進(jìn)行深入細(xì)致的研究。因此，所生長(zhǎng)的PbI<,2>晶體質(zhì)量不高，探測(cè)器性能不能令人滿意。在國(guó)內(nèi)，目前尚未見相關(guān)研究的報(bào)道。本文的研究目的就是，對(duì)PbI<,2>多晶合成方法和單晶生長(zhǎng)進(jìn)行深入研究，探索生長(zhǎng)高質(zhì)量PbI<,2>晶體的新工藝，生長(zhǎng)出較大尺寸、完整性較好的PbI<

3、,2>單晶體，為PbI<,2>探測(cè)器研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 本文深入研究了PbI<,2>多晶合成方法和單晶生長(zhǎng)工藝。提出以富鉛配料的兩溫區(qū)氣相輸運(yùn)法（TVM）合成PbI<,2>多晶的新工藝；描繪出含有液相分層區(qū)域的Pb-I相圖；給出了生長(zhǎng)高質(zhì)量PbI<,2>晶體的工藝參數(shù)確定原則；生長(zhǎng)出尺寸較大、完整性較好、接近化學(xué)配比、紅外透過性好（T＝40％），禁帶寬度大（Eg＝2.27eV）、電阻率高（10<'10>Ωcm量級(jí)）的PbI<,

4、2>單晶體，制作出PbI<,2>室溫核輻射探測(cè)器。在PbI<,2>多晶合成和單晶生長(zhǎng)方面取得了很好的研究結(jié)果，總結(jié)如下： 1、合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究表明，PbI<,2>多晶合成是有氣體參與的固相反應(yīng)，涉及擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，合成反應(yīng)的整體速率主要由擴(kuò)散速率控制，因此可通過合理控制兩溫區(qū)溫度來控制合成速率：合成反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算指出，在723K下進(jìn)行的PbI<,2>合成反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可以自發(fā)進(jìn)行。 2、研究出富鉛配料的兩溫區(qū)氣相輸運(yùn)

5、合成PbI<,2>多晶的新工藝，采用過量鉛配料，避免了對(duì)活潑單質(zhì)碘的稱量；在特殊合成石英安瓿中進(jìn)行碘蒸汽輸運(yùn)和化合反應(yīng)，克服了合成安瓿的爆炸，提高了合成效率，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)合成出單相、致密的PbI<,2>多晶，為PbI<,2>晶體生長(zhǎng)提供原料保障。 3、在多晶合成實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熔體在碘鉛原子比為1.637：1-2：1的范圍內(nèi)存在液相分層現(xiàn)象；分析表明，Pb-I系統(tǒng)在679K以上，碘含量（mol％）為62.1％-66.7％時(shí)存在

6、液相分層，富鉛相與富碘相互不相溶，富鉛相中的鉛原子含量達(dá)到97％，富碘相中的碘鉛原子比接近于7：3，熔體冷卻后，富余鉛沉積于安瓿底部。據(jù)此初步描繪出Pb-I相圖，該相圖對(duì)用熔體法生長(zhǎng)PbI<,2>單晶體具有重要的指導(dǎo)作用。 4、設(shè)計(jì)出帶有球泡的生長(zhǎng)安瓿，能夠有效地容納富余鉛，并將原料合成安瓿與晶體生長(zhǎng)安瓿融為一體，簡(jiǎn)化了操作工序，避免了原料的二次污染。 5、針對(duì)PbI<,2>晶體生長(zhǎng)習(xí)性，設(shè)計(jì)出晶體生長(zhǎng)所需溫場(chǎng)，研究出適

7、合晶體生長(zhǎng)的生長(zhǎng)爐，能夠滿足晶體生長(zhǎng)對(duì)溫場(chǎng)分布的要求；深入研究了三種生長(zhǎng)工藝下的PbI<,2>晶體生長(zhǎng)過程，發(fā)現(xiàn)碘的蒸發(fā)回流、鉛從熔體中的分離、富余鉛的沉積是影響晶體性能的重要因素。 6、研究總結(jié)出生長(zhǎng)高質(zhì)量PbI<,2>晶體的途徑：①增大高溫區(qū)的范圍，使安瓿頂部的溫度高于熔體表面處的溫度；②下降生長(zhǎng)前，安瓿內(nèi)所有熔體均應(yīng)處于液相分層區(qū)域溫度范圍內(nèi)：③生長(zhǎng)界面處有足夠大的溫度梯度，合適的生長(zhǎng)速度。 總之，本文研究出的富鉛