分压控制下的高阻Cd0.9Zn0.1Te晶体生长及其热处理研究

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Cd1-xZnxTe核辐射探测器由于可在室温下工作,并且对X、γ射线有较高的探测效率和较好的能量分辨率,因此可广泛应用在核安全、环境监测、医学诊断、天体物理研究等领域。而高质量的Cd1-xZnxTe晶体材料是研制高性能Cd1-xZnxTe x-、γ-射线探测器的关键。目前国际上商用的Cd1-xZnxTe晶体是采用高压垂直布里奇曼法(HPVB)制备的,其晶体电阻率已达1011Ωcm。但由于其设备复杂,成品率低(4%左右),价格特别高昂。为此,当前国际上的研究热点是采用低压垂直布里奇曼法(LPVB)制备出高阻、高质量、低成本的探测器级Cd1-xZnxTe晶体。但是目前对于探测器级Cd1-xZnxTe晶体的LPVB生长,还存在一些基本的理论与工艺问题尚未解决。因此开展这方面的研究具有重要的学术意义和实际应用价值。为此,本文采用改进的垂直布里奇曼法(MVB)系统地研究了探测器级Cd0.9Zn0.1Te晶体的制备理论与工艺。本文的主要研究内容与结果如下: 1、采用有限元法对Cd0.9Zn0.1Te的晶体生长过程进行了模拟。研究了垂直布里奇曼法(VB)晶体生长中不同的因素对晶体生长过程中固液界面形状的影响。在模拟计算中,考虑了热传导、对流、辐射等热交换过程和相变过程,利用傅立叶变换等形式给出了变化炉温加载的函数表达式。同时根据模拟结果,进行了相应的晶体生长实验,并将实验结果和模拟结果进行了比较分析。模拟结果表明,当坩埚下降速度Vp≈0.9~1mm/h时,可获得接近水平的固-液界面,这将有利于获取径向组成分布均匀、高质量的Cd0.9Zn0.1Te晶体。这一模拟结果在实验中也得到了验证。 2、在前期研究工作的基础上,利用热力学关系,估算了Cd1-xZnxTe和Cd1-xZnx熔体的平衡蒸汽分压,并建立了两者各组元平衡蒸汽压之间的关系。首次获得了Cd0.9Zn0.1Te晶体在其熔点1393K附近的Cd/Zn分压,它们分别为PCd=4.04×105 Pa和PZn=4.99×104 Pa,同时估算出了与之相平衡的Cd1-xZnx合金控制源的组成(x=0.19)与温度(1195K)。 3、为克服传统ZnTe合成法存在合成不充分和合成温度高且反应剧烈致使石英合成管易爆炸等困难,本工作研究设计并采用了ZnTe合成新工艺,即EPS(Evaporating Pressure Synthesis)法,成功地解决了ZnTe合成的技术关键。此项工艺国内外还未见有报道。 4、采用改进的垂直布里奇曼法(MVB),即采用Cd0.81Zn0.19合金源作为晶体生长时的气相分压控制,进行了Cd0.9Zn0.1Te的晶体生长实验。获得了分压控制与晶体电阻率的关系,成功生长出了高阻、高质量的Cd0.9Zn0.1Te晶体。晶体电阻率最高可达1.1×1010Ω·cm,x射线摇摆曲线的半峰宽约为53”,平均位错密度为7×104cm-2,红外透过率在5000~450cm-1波数范围内高达60%,径
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