[发明专利]碘化汞单晶体的制备方法

说明书

本发明涉及作为室温辐射探测器材料，特别是作为X射线、γ射线探测器的碘化汞单晶体的制备方法。

碘化汞（HgI₂）是Ⅱ-Ⅶ族化合物半导体。常温下为红色透明的层状结构的四方晶系晶体（α相）。其组元原子序数高（80和53），密度大（6.4g/cm³），体暗电阻大（＞10¹³Ω·cm），电流小（击穿电压＞10⁴V/cm），禁带宽度大（2.14eV），所以有灵敏度高，能量分辨率好，探测效率高，室温下工作和保存等优点，是目前适于制作室温半导体辐射探测器的极好材料。碘化汞单晶体的制备方法主要有溶液法和汽相法，以及温度振荡（TOM）汽相生长工艺。比如：M.Schieber等人在Vapor Growth of HgI₂by periodic Source or crystal Temperature Oscillation（J.Crystal Gr-owth，33（1976）125-133）中报导了制备碘化汞单晶体的TOM。其方法是把纯化原料封入真空度为10^-5托的玻璃生长安瓿并置于立式炉中，使安瓿转动，用气流冷却它的底部基座中心而生成几个晶核，经温度振荡和温度梯度反转选择一个优质的籽晶，用源温度周期振荡法或晶体温度周期振荡法使晶体继续长大，并长出每块约100克的大单晶。这种方法工艺复杂，需要复杂的大型设备和温度控制系统，生产成本高，价格昂贵，例如美国生产的碘化汞单晶体，其售价为～1000美元/克。

本发明的目的是提出一种制备碘化汞单晶体的新方法。这种方法所需设备简单，控温简便，易于操作，能够制得外形规则的优良的大单晶体，并能大大降低成本。

本发明的要点是将高纯碘化汞原料封入真空度为10^-5托的玻璃生长安瓿并置于立式炉中，使安瓿慢速转动（＜10rpm），加热使原料在安瓿1/2高度处稳定配置，缓慢调节安瓿底部的基座温度使之逐渐达到晶体生长温度～110℃，使其自然成核，在基座表面上生成一个籽晶。降低底部基座加热温度或（和）提高源处加热温度，使源和晶体间保持一定的温差，晶体便逐渐长大。从而获得外形规则的碘化汞大单晶体。

下面结合制备碘化汞单晶体来详细描述本发明的工艺过程。

以制作100克的碘化汞单晶体为例：首先用玻璃浸蚀液（试剂级硝酸和氢氟酸组成）清洗玻璃生长安瓿，然后用4MΩ的去离子水冲洗并烘干。将100克的纯化HgI₂原料装入Φ20×25cm的清洁的玻璃生长安瓿，抽空至10^-5托封结并置于立式炉中。使安瓿慢速（5rpm）转动，调整系统的温度，当原料在安瓿1/2高度处稳定配置时，缓慢调节底部加热温度使之接近晶体生长温度～110℃，源温度保持在～113℃，形成一个[001]方向平行于基座表面的籽晶。采用702精密温度控制器，以10～20mv/天的速率分别或者同时降低底部和升高源处加热温度，使晶体与源处温差在2-5℃温度范围内，经过10-20天就能长出100克重的外形规则的碘化汞单晶体。

与普遍采用的TOM相比，本发明由于利用降低底部基座温度自然成核，生长时采用降低底部或升高源温度，使源与晶体间保持一定的温度梯度，源处的HgI₂气态分子以基本恒定的速率向晶体处输运，使晶体逐渐长大，这不需要恒温冷气流和温度振荡控制系统，所以不仅温场设计简化，工序少，工艺简单，易于操作，而且无复杂的大型设备和控温系统，只要简单的装置即可，并能制备出外形规则的单晶体，还大大降低了生产成本，每克约人民币100元。对本方法制备的碘化汞单晶体进行了观测，结果如下：

单晶体具有数个光滑的自然晶面，X射线衍射分析测得生长的碘化汞单晶体为四方晶系，其晶胞参数a＝4.367，c＝12.441。用SEM测定其化学配比Ⅰ/Hg为1.99：1;（001）面上的蚀坑密度为10³cm^-2数量级。上述的结果表明，所生长的HgI₂单晶体的生长界面比较稳定，发育良好，结构较完整。

经申科院上海原子核研究所使用，作为γ射线探测器，制备10只，均有计数响应，说明该晶体可作为计数器使用，亦可作为要求有能量分辨的探测器使用。