探测器级钒掺杂碲锰镉晶体生长及性能表征

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Cd1-xMnxTe(简称为Cd Mn Te或者CMT,碲锰镉)晶体被认为是理想的Hg1-yCdyTe外延衬底和具有前途的室温x射线和γ射线探测器材料。其中晶体质量是其器件稳定、高效工作的主要因素之一。所以如何制备出大尺寸、成分均匀的CMT晶体显得至关重要。因此,本论文研究了垂直布里奇曼法制备探测器级CMT晶体的生长及其质量评价,对晶体的光、电、热、力学性能分别进行了表征,并在此基础上制备出了CMT探测器。选择合适的生长方法和工艺参数是生长高质量CMT晶体的首要条件。本研究采用改进的Te溶液垂直布里奇曼法与钒掺杂(5×1017 atoms/cm3)成功地生长了Ф30 mm的Cd0.9Mn0.1Te:V(简称为VCMT)晶锭。生长炉界面温度梯度为10℃/cm,生长温度为1010℃,初始阶段熔体过热40 K,选择的温度梯度为10~15 K·cm-1,对应的生长速率为0.1 mm·h-1。生长结束后将上下炉温度同时降至860°C,保温72小时,进行原位退火。通过粉末X射线衍射数据证明了晶体具有单一的闪锌矿结构。采用热重分析仪分析了VCMT晶体的热学性能,晶体从700.64-1050.6℃的温度范围内开始失重,表明VCMT具有较高的热稳定性。利用维氏显微压痕硬度法分析了VCMT晶体的力学性能,记录了压痕周围的裂纹表面形态。此外,利用Meyer’s定律,Hays-Kendall’s定律和PSR模型分析了晶片的显微硬度行为,通过计算得到显微硬度值、断裂韧性、屈服强度等的力学参数。根据红外透过光谱和紫外-可见-近红外光谱研究了VCMT晶体的光学性质。在波数为4000~500 cm-1的中红外入射光波段,晶锭头、中、尾部的红外透过率保持在57%以上,中部晶片的红外透过率接近理论值。紫外-可见近红外分析其截止波长在800nm以上,中部的晶体质量较好。通过I-V测试研究了VCMT晶体的电学性能,电阻率为109~1010Ω·cm,表明深能级Te反位将费米能级钉扎在能带中部。制作了平面VCMT晶体探测器,该检测器在241Am 59.5 ke V峰值下得到的分辨率为11.62%。
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