[发明专利]一种自发成核生长溴化铊单晶方法

说明书

技术领域

本发明属于单晶生长技术领域，具体涉及一种溴化铊单晶的生长方法。

背景技术

高能X射线、γ射线探测是空间科学技术领域最核心的技术之一。经典探测器常用的Ge、Si等半导体材料必须在低温(70K左右)条件下工作，这给在空间中使用增加了诸多困难和成本。近年来开发的CdZnTe、CdTe等半导体材料虽在-30℃左右具有优良的特性，但在硬X射线以上频段，材料的空穴输运能力有限，很难适合高能X射线、γ射线的探测要求。溴化铊材料具有较高的原子序数(Tl：81，Br：35)、较大的密度(7.5g/cm³)、较大的禁带宽度(2.68ev)及较大的电子空穴迁移率，因而是一种很有发展前景的室温高能X射线、γ射线探测器材料，引起了国内外研究人员的兴趣。然而溴化铊晶体探测器工作的稳定性和能量分辨率等性能受到初始晶体材料的限制，因此如何获得高质量、大尺寸的溴化铊单晶成为溴化铊射线探测器研究的一个关键问题。

目前，国内外溴化铊单晶的典型生长方法有移动坩埚(如布里奇曼法)或移动加热器(如移动区熔法)。这些方法均属于熔融法晶体生长方法，它们分别通过移动加热器和生长安瓿来实现溴化铊单晶的生长。熔融法晶体生长的实质是使晶核(籽晶或自发成核的晶体)和熔体的交界面上进行原子或分子的重排形成单晶体。因而对温度场的要求非常严格，具体来说就是：只有在晶核附近熔体温度低于凝固点，使生长着的界面处于过冷状态，即过冷区必须集中在界面附近狭小的范围内，而熔体的其余部分处于过热状态，以避免出现新的晶核和生长界面的不稳定性。移动区熔法是将棒状多晶锭熔化一窄区，其余部分保持固态，然后移动加热器使这一熔区沿晶锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。这种方法生长晶体时，晶体沿长度方向存在很大的温度梯度，如K.Hitomi等在文献“Improved spectrometric characteristics of thallium bromide nuclear radiationdetectors.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，428(1999)，372-378”中提到用区熔法制备溴化铊单晶时，原料长度为150mm，熔区宽度一般在10mm左右，熔区温度设置为500℃，加热器移动速度为10mm/h，在晶体生长过程中，只有10mm的原料处于熔融状态，而其它部分处于加热器范围之外，其温度比熔区温度低得多。M.S.Kouznetsov等在文献“Development of the technology for growing TlBr detector crystals.NuclearInstruments and Methods in Physics Research A，531(2004)174-180”中提出用水平区熔法生长单晶时，由于温度场的不均匀性，会导致晶体中缺陷增加。

相比较而言，布里奇曼法更有利于生长大尺寸、均匀性好、质量较高的晶体。布里奇曼法是在双温区的单晶生长炉中，通过隔热挡板的作用，使生长炉上部温度比溴化铊熔点(460℃)高30-40℃，而下部温度保持在280℃-300℃，通过精密的机械传动装置控制坩埚缓慢下降，使整个熔体缓慢地通过凝固点，结晶形成单晶。因此，与区熔法相比，布里奇曼法获得的溴化铊单晶由于在长度方向的热应力较小，晶体质量较高。然而，根据M.S.Kouznetsov等在文献“Development of the technology for growing TlBrdetector crystals.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，531(2004)174-180”中的研究表明用布里奇曼法生长单晶时，炉区上部温度仍然比下部温度高100-150℃左右，这样，晶体沿长度方向仍然存在很大的温度梯度，晶体与坩埚之间存在很大的应力，这种应力的消失需要通过晶格滑移或形成缺陷来消除。由于溴化铊具有较高的塑性，会形成晶格变形，最终影响晶体的质量。此外，这两种方法生长晶体时，都需要精密的机械传动装置，设备昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种生长溴化铊单晶的方法，在不移动生长安瓿和加热器的情况下，自发成核生长出高质量的溴化铊单晶。

一种自发成核生长溴化铊单晶方法，具体步骤如下：

(1)将溴化铊原料装入直径为8-15mm的圆柱形安瓿，抽真空，密封，并将安瓿一端加工成锥角为15-45°的圆锥形；