溴化铊晶体生长与退火工艺研究

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溴化铊(TlBr)具有宽禁带(2.68eV)、高原子序数(Tl:81, Br:35)、高密度(7.56g/cm3)、高电阻率(约1011·cm)等特点,是一种非常有前途的半导体核辐射探测器材料。溴化铊材料的熔点(460oC)低且具有简单的ScCl型晶体结构,易采用熔体法生长晶体。溴化铊探测器具有能量分辨率高、线性范围广、脉冲上升时间短、体积小等优点,已广泛地应用于核医学、工业无损检测、环境监测、安全检查、航空航天、天体物理等领域。晶体的质量是影响探测器性能的关键因素。本文采用电控动态梯度法(EDG)进行溴化铊晶体生长,研究了不同的安瓿锥角和生长气氛对晶体生长质量的影响。分别在12度、20度和36度锥角的石英安瓿中生长溴化铊晶体,通过红外透过光谱和X射线衍射图谱分析得出在20度锥角的安瓿中生长的晶体质量最好,通过对晶体不同部位的晶片的X射线衍射测试来探索晶体生长中的晶向统一化过程。然后在真空、空气和氧气气氛下生长晶体,测试结果表明在氧气气氛下生长的晶体具有最好的质量,电阻率为5.64×1010 cm,室温下对241Am的能谱响应为29.03%。此外,本文还研究了退火温度、退火气氛对晶片性能的影响。分别在200、250、300、320和340oC下对晶片退火40小时,退火后晶片光学、电学性能得到了一定程度的提高,在320oC下退火具有最佳的效果。晶片在320oC不同气氛(空气、氩气、氧气)下退火的结果表明氧气具有较好的退火效果。在退火过程中,氧气扩散进入晶片中与Tl沉淀反应生成Tl2O,Tl2O能很好地溶于晶体中,从而减小了Tl沉淀的浓度,提高了晶片的光学、电学性能。大的氧分压具有更好的退火效果。在320oC、1atm氧气下退火后,晶片的电阻率为4.90×1011 cm,能量分辨率为21.99%。
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