Рибалка Ірина Анатоліївна. Вплив дефектів структури на електрофізичні та сцинтиляційні характеристики кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe

Короткий опис

Рибалка Ірина Анатоліївна. Вплив дефектів структури на електрофізичні та сцинтиляційні характеристики кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe : Дис... канд. наук: 05.02.01 2008

Рибалка І.А. Вплив дефектів структури на електрофізичні та сцинтиляційні характеристики кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2008.
Дисертація присвячена вивченню умов формування структурних дефектів, їх типу та концентрації, а також виявленню взаємозв’язку процесів дефектоутворення з електрофізичними, сцинтиляційними та механічними властивостями кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe. В роботі проведено комплексне дослідження структурних, механічних, оптичних, електричних та сцинтиляційних характеристик кристалів ZnSе1-xTexі Cd1-xZnxTe.
Вивчено умови хімічної взаємодії розплавів сполук ZnSe, CdТе та ZnTe з конструкційними матеріалами й газовим середовищем в ході вирощування кристалів методом Бриджмена та встановлено оптимальні умови, при яких ступінь забруднення кристалів мінімальний. Визначено вплив хімічної чистоти вихідної сировини, умов вирощування та структурної досконалості кристалів Cd1-xZnxTe на оптичні й електрофізичні параметри виготовлених з них детекторів рентген- та гамма-радіації. Визначено оптимальний діапазон концентрацій легуючої домішки телуру в кристалах ZnSe та режими термічної обробки, які забезпечують отримання сцинтиляторів з високим рівнем структурної досконалості, задовільною механічною міцністю та заданими сцинтиляційними параметрами.

В результаті досліджень виявлено взаємозв’язок умов формування різних типів структурних дефектів при отриманні кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe й CdTe-ZnTe з їх електрофізичними та сцинтиляційними властивостями. Проведено комплексне дослідження структурних, механічних, оптичних, електричних і сцинтиляційних характеристик кристалів ZnSе1-xTexй Cd1-xZnxTe при введенні ізовалентних елементів (Те і Zn) у вигляді сполуки ZnTe. Отримано наступні наукові та практичні результати:

Вивчено взаємодію розплавів сполук ZnSe, CdТе й ZnTe з конструкційними матеріалами та газовим середовищем в ході вирощування кристалів методом Бриджмена і встановлено основні шляхи забруднення шихти та кристалів, а також визначено оптимальні умови, при яких ступінь забруднення кристалів мінімальний. Термодинамічні розрахунки показали, що в системах ZnSe-ZnTe-Se-H2-C та CdTe-ZnTe-О2-Н2-С, в умовах вирощування кристалів, найбільш імовірним є утворення сполук оксиселеніду та оксителуриду вуглецю, відповідно.
Визначено особливості формування структури кристалів ZnSе1-xTexв залежності від концентрації телуру. Встановлено, що введення в ZnSe легуючої до-мішки телуру в діапазоні концентрацій 0,3...0,6 мас.% сприяє повному завершенню фазового переходу WS в ході вирощування кристалу з розплаву. Вперше експе-риментальним шляхом в кристалах ZnSe1-xTexвиявлено тетрагональне викривлення ґратки сфалериту та визначено величину зміщення атома Zn з центру тетраедра, яка відповідає деформації ґратки на 0,5 % при концентрації телуру близько 0,6 мас.%.
Виявлено основні тенденції зміни електрофізичних властивостей і сцинтиляційних параметрів кристалів ZnSе1-xTexзалежно від вмісту телуру. Встановлено, що діапазон концентрацій телуру 0,3...0,6 мас.% відповідає області максимального значення світлового виходу, що свідчить про кореляційний зв’язок ступеня структурної досконалості та сцинтиляційної інтенсивності в цих кристалах.
Визначено взаємозв’язок структурних дефектів, що виникають за рахунок введення ізовалентної домішки телуру в кристали ZnSе, з їх механічною міцністю. Встановлено, що при зростанні вмісту телуру в кристалах твердих розчинів ZnSе1-xTexз 0,2 до 1,0 мас.% величина мікротвердості збільшується на 23 %, а границя міцності на 20 %.
Визначено оптимальний режим термічної обробки кристалів ZnSe, що, за умови легування домішкою телуру в діапазоні 0,30,6 мас.%, забезпечує отримання сцинтиляторів з високим рівнем структурної досконалості (сфалерит без дефектів упаковки), підвищеною границею міцності (з 7,6 до 9,6 МПа) і світловим виходом поліпшеним до 110-120 % відносно CsI(Tl). Цей режим впроваджено у дослідне виробництво сцинтиляційних кристалів ZnSе1-xTex, що відповідають рівню кращих світових зразків.
Визначено умови приготування шихти (синтез компонентів у запаяних кварцових ампулах) і вирощування кристалів Cd1-xZnxTe (ріст у контейнері із графітового матеріалу з коефіцієнтом термічного розширення меншим, ніж у кристала), що забезпечили їх отримання з високим рівнем структурної досконалості (густина дислокацій 2102см-2), оптичним пропусканням на рівні 60 % і питомим електроопором ~ 11010Омсм. Це дало можливість, при невисокій якості вихідної сировини, отримати напівпровідникові детектори спектрометричної якості: значення енергетичного розділення для241Am (Е= 59,5 keВ) становило 18,2 %, для137Cs (Е= 662 keВ) 4,7 %.
Встановлено кореляцію між дефектністю кристалічної структури й величиною питомого електричного опору кристалів Cd1-xZnxTe. На основі даних про збільшення питомого опору Cd1-xZnxTe при зменшенні густини дислокацій вста-новлено, що лінійні дефекти структури в цих кристалах є електрично активними.