[发明专利]一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法

说明书

本发明公开了一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，具体包括以下步骤：(1)将石英安瓿置于反应炉腔内，通入甲烷进行镀碳膜处理得到镀碳安瓿；(2)向该镀碳安瓿内装入溴铅铯粉料，抽真空并密封，置于热处理炉中使溴铅铯粉料先熔化后降温凝固形成多晶料棒；(3)将装有多晶料棒的密封安瓿置于水平移动区熔炉内，将加热器升温至620‑650℃，使加热器从密封安瓿的尖端开始移动至密封安瓿的尾端，由此完成溴铅铯晶体的生长，得到溴铅铯晶体。本发明通过对其关键的整体流程工艺设计、以及各个步骤的反应条件及参数进行改进，与现有技术相比能够有效解决晶体生长过程中机械震动大、晶体内部的热应力高、难以生长大尺寸溴铅铯单晶等问题。

技术领域

本发明属于晶体生长领域，更具体地，涉及一种溴铅铯(CsPbBr₃)单晶的水平移动区熔制备方法，制得的溴铅铯单晶可广泛应用于高能射线传感、能源、LED显示等多个领域。

背景技术

高能核辐射探测器材料及其探测技术已经在很多领域得到了广泛的应用，比如天体物理、安保、军事、医疗、核工业及环境监测等。随着应用场景对检测精度和灵敏度需求的不断提高，对核辐射探测器用材料也提出了更高的要求。

制备高能核辐射探测器所用到的材料一般要具备以下几个特征：禁带宽度大、原子序数高、密度大和较高的载流子迁移率寿命积等。CsPbBr₃拥有大的禁带宽度(E_g＝2.25eV)，优于现有的商用核辐射探测器材料CdZnTe(E_g＝1.57eV)，较大的密度(4.86g/cm³)，较高的载流子迁移率寿命积(10^-3cm²/V),因此非常适合用于制备室温核辐射探测器。另外，CsPbBr₃具有较低的熔点(567℃)和凝固点(514℃)，适合采用熔体法制备溴铅铯单晶。

目前现有的CsPbBr₃单晶制备方法主要包括熔体法(如布里奇曼法、垂直温度梯度生长法)和溶液法两大类。传统的熔体法单晶生长通常采用布里奇曼法，这是因为布里奇曼法具有恒定的温场，这对单晶生长意义重大，但是由于布里奇曼法生长过程是靠晶体本身的移动来完成，这就不可避免地带来了机械震动，因而后来又有研究者设计了垂直温度梯度生长法，这种方法固定晶体不动，依靠温度梯度的变化来完成晶体生长，但是这种方法依赖温场变化的稳定性，同时要生长大尺寸的单晶必须增加温区数量，生产成本较高。对于溶液法，生长厘米级甚至更大尺寸的单晶效率低下，另外由于液体环境下的成核速率和生长速率较难精确控制，且容易产生包裹体，严重影响晶体质量，因此难以批量生产大尺寸高质量的单晶。

水平移动区熔法属于熔体法的一种，其生长过程是在加热器的设定温度恒定的条件下，通过加热器将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后加热器沿水平方向运动，使熔区沿多晶锭的长度方向移动，这样整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶，即通过带动材料的固液界面沿水平方向移动完成晶体生长。

由于CsPbBr₃单晶比较脆、容易碎裂、以及熔体法生长过程中经过两次相变的特点，因此克服其生长过程中产生的内应力是一个重要的研究课题，一般来说会通过减小生长速度和温度梯度来减小内应力，但过慢的生长速度会降低生产效率，过小的温度梯度削弱了晶体生长动力，另外，传统的垂直生长方式由于晶体本身的重力作用在生长过程中也会引入内应力，而采用水平生长的方式，消除了晶体本身重力的影响，配合镀有碳膜的石英容器，会大大减小这种内应力，因此可以得到高质量的单晶。水平移动区熔法生长CsPbBr₃晶体存在如下优点：