【摘 要】
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HgI2是一种半导体材料,呈四面体结构,拥有高电阻率(1014Ω·cm),密度大(6.4g/cm~2),原子序数高(Hg=80,I=53),禁带宽度大(2.13e V),电离效率高(53%),这些优良性能使得HgI2成为了目前半导体领域优秀的探测器材料。但是,HgI2晶体脆性大,在大气下易挥发,空穴-迁移率低等特征从而降低了探测器的性能,使HgI2晶体的产业化发展受到影响。由于HgI2分子的桥键作
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HgI2是一种半导体材料,呈四面体结构,拥有高电阻率(1014Ω·cm),密度大(6.4g/cm~2),原子序数高(Hg=80,I=53),禁带宽度大(2.13e V),电离效率高(53%),这些优良性能使得HgI2成为了目前半导体领域优秀的探测器材料。但是,HgI2晶体脆性大,在大气下易挥发,空穴-迁移率低等特征从而降低了探测器的性能,使HgI2晶体的产业化发展受到影响。由于HgI2分子的桥键作用和Hg存在空轨道可与具有孤对电子物质进行配位作用进而形成具有特殊结构大分子的有机-无机配位聚合物,因此近年来在有机物掺杂无机物半导体改性领域成为了热点.通过CH3NH3I改性HgI2,不仅能够使HgI2获得兼具无机材料与有机材料复合优势,而且会大大改善HgI2晶体的光电性能。通过Materials Studio软件对CH3NH3HgI3晶体进行分析,利用BFDH(Bravais-Friedel-Donnary-Harker)法发现CH3NH3HgI3晶体生长的重要晶面排序为(011)>(101)>(101)>(002)>(110)>(111);采用分子动力学模型模拟CH3NH3HgI3晶体在不同溶剂分子下的吸附模型;采用不同溶剂分子下的附着能计算求其重要晶面的结果为:在甲醇为溶剂下形成针状形貌,在乙酸乙酯和二甲基甲酰胺为溶剂下为长板状形貌,其晶面的晶面指数都为(101)、(111),说明选用不同有机溶剂时,晶体最终形貌会有变化。选择三种不同的溶剂甲醇(CH3OH)、乙酸乙酯(EAC)、二甲基甲酰胺(DMF),以等物质的量的CH3NH3I与HgI2作为原料,采用溶剂挥发法生长CH3NH3HgI3晶体。紫外-可见-近红外光谱(UV-vis-NIR)显示三种溶液体系中均存在HgI2、[HgI3]-和[HgI4]2-组分,表明溶液中存在HgI2+2I-(?)[HgI4]2-;HgI2+[HgI4]2-(?)2[HgI3]-过程。晶体形貌均为针枝状,符合晶体结构的分析。提高生长温度导致DMF溶剂中晶体由针状形貌转变为颗粒状。荧光光谱表明在526,627和649nm处有红绿等发光峰,认为是结构缺陷造成;482nm处发青色光,为本征发光。对比HgI2晶体的荧光光谱,认为CH3NH3HgI3不适合发光应用。荧光光谱确定CH3NH3HgI3多晶的禁带宽度为2.88e V,可作为紫外探测器。采用气相沉积法生长了CH3NH3HgI3薄膜。通过同源气相生长和双源气相生长法,探索CH3NH3HgI3晶体气相生长工艺,并采用类近空间升华法制备CH3NH3HgI3薄膜。单源物理气相沉积过程中,温度低于70℃时,CH3NH3HgI3不存在分解和升华现象;超过70℃,CH3NH3HgI3出现分解;140℃高温气相生长时,CH3NH3HgI3先分解,分步升华,并在沉积区反应得到CH3NH3HgI3薄膜。但薄膜裂纹较多,厚度不足,与基板(ITO)浸润性差。采用双源气相生长法,可以得到CH3NH3HgI3和HgI2复合薄膜,需要进一步工艺调整实现单一成分的薄膜。使用类近空间升华法尝试生长CH3NH3HgI3薄膜。采用升华温度为140℃,升温2h,保温0.5h的工艺,成功获得了CH3NH3HgI3薄膜。薄膜呈现黄色,直径14mm,厚度小于100μm;XRD图谱表明其结晶性能较好。通过CH3NH3I改性,CH3NH3HgI3变为单斜晶系,属空间群P21/n;CH3NH3HgI3为一维链状结构,实现了材料减维(DR);CH3NH3HgI3禁带宽度大于2.8e V,电阻率在10~9-1010Ωcm。相比于HgI2,CH3NH3HgI3的吸收边蓝移,可作为一种紫外探测器材料。
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