一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法技术

本发明专利技术公开了一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，具体包括以下步骤：(1)将石英安瓿置于反应炉腔内，通入甲烷进行镀碳膜处理得到镀碳安瓿；(2)向该镀碳安瓿内装入溴铅铯粉料，抽真空并密封，置于热处理炉中使溴铅铯粉料先熔化后降温凝固形成多晶料棒；(3)将装有多晶料棒的密封安瓿置于水平移动区熔炉内，将加热器升温至620‑650℃，使加热器从密封安瓿的尖端开始移动至密封安瓿的尾端，由此完成溴铅铯晶体的生长，得到溴铅铯晶体。本发明专利技术通过对其关键的整体流程工艺设计、以及各个步骤的反应条件及参数进行改进，与现有技术相比能够有效解决晶体生长过程中机械震动大、晶体内部的热应力高、难以生长大尺寸溴铅铯单晶等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法
本专利技术属于晶体生长领域，更具体地，涉及一种溴铅铯(CsPbBr3)单晶的水平移动区熔制备方法，制得的溴铅铯单晶可广泛应用于高能射线传感、能源、LED显示等多个领域。
技术介绍
高能核辐射探测器材料及其探测技术已经在很多领域得到了广泛的应用，比如天体物理、安保、军事、医疗、核工业及环境监测等。随着应用场景对检测精度和灵敏度需求的不断提高，对核辐射探测器用材料也提出了更高的要求。制备高能核辐射探测器所用到的材料一般要具备以下几个特征：禁带宽度大、原子序数高、密度大和较高的载流子迁移率寿命积等。CsPbBr3拥有大的禁带宽度(Eg＝2.25eV)，优于现有的商用核辐射探测器材料CdZnTe(Eg＝1.57eV)，较大的密度(4.86g/cm3)，较高的载流子迁移率寿命积(10-3cm2/V),因此非常适合用于制备室温核辐射探测器。另外，CsPbBr3具有较低的熔点(567℃)和凝固点(514℃)，适合采用熔体法制备溴铅铯单晶。目前现有的CsPbBr3单晶制备方法主要包括熔体法(如布里奇曼法、垂直温度梯度生长法)和溶液法两大类。传统的熔体法单晶生长通常采用布里奇曼法，这是因为布里奇曼法具有恒定的温场，这对单晶生长意义重大，但是由于布里奇曼法生长过程是靠晶体本身的移动来完成，这就不可避免地带来了机械震动，因而后来又有研究者设计了垂直温度梯度生长法，这种方法固定晶体不动，依靠温度梯度的变化来完成晶体生长，但是这种方法依赖温场变化的稳定性，同时要生长大尺寸的单晶必须增加温区数量，生产成本较高。对于溶液法，生长厘米级甚至更大尺寸的单晶效率低下，另外由于液体环境下的成核速率和生长速率较难精确控制，且容易产生包裹体，严重影响晶体质量，因此难以批量生产大尺寸高质量的单晶。水平移动区熔法属于熔体法的一种，其生长过程是在加热器的设定温度恒定的条件下，通过加热器将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后加热器沿水平方向运动，使熔区沿多晶锭的长度方向移动，这样整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶，即通过带动材料的固液界面沿水平方向移动完成晶体生长。由于CsPbBr3单晶比较脆、容易碎裂、以及熔体法生长过程中经过两次相变的特点，因此克服其生长过程中产生的内应力是一个重要的研究课题，一般来说会通过减小生长速度和温度梯度来减小内应力，但过慢的生长速度会降低生产效率，过小的温度梯度削弱了晶体生长动力，另外，传统的垂直生长方式由于晶体本身的重力作用在生长过程中也会引入内应力，而采用水平生长的方式，消除了晶体本身重力的影响，配合镀有碳膜的石英容器，会大大减小这种内应力，因此可以得到高质量的单晶。水平移动区熔法生长CsPbBr3晶体存在如下优点：1)有利于CsPbBr3晶体生长过程中相变应力从安瓿壁的释放。由于CsPbBr3晶体生长过程中存在两次相变，即随温度的降低，在130℃时CsPbBr3晶体结构从高温立方相(Pm-3m,a＝b＝c＝0.5874nm)转变为四方相(P4/mbm,a＝b＝0.5859nm,c＝0.5895nm)，降至88℃时，又从四方相转变为正交相(Pbnm,a＝0.8207nm,b＝0.8255nm,c＝1.1759nm)。在相变过程中，由于晶格参数的变化，在晶体中产生较大的应力。水平区熔法是通过水平移动加热器实现CsPbBr3晶体生长，水平放置的棒状多晶锭顶部区域处于开放的自由状态，这样有利于CsPbBr3晶体生长过程中相变应力从安瓿壁的释放，从而大大减少了因相变应力而导致的晶体开裂。2)由于晶体生长沿着水平方向进行，避免了晶体自身重力作用导致的应力及不均匀问题，适合制备完整性好、均匀性好的大尺寸单晶。3)由于区熔法在晶体生长的同时能对晶体材料进行提纯，即能使分凝系数较小的杂质富集在晶体的尾端，因而可以得到纯度较高的晶体。4)另外该方法生长晶体还有诸多优点，比如设备简单、机械震动小。可见水平移动区熔法具有制备裂纹少、纯度高、完整性好、晶相单一的大尺寸CsPbBr3晶体的优势。而目前国内外研究人员均没有使用水平移动区熔法生长CsPbBr3单晶的成功案例。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，针对CsPbBr3单晶比较脆，容易碎裂，以及熔体法生长过程中经过两次相变的特点，其中通过对其关键的整体流程工艺设计(包括安瓿处理、多晶料棒的制备及水平区熔晶体生长)以及各个步骤的反应条件及参数(如气体流量、移动速度、处理温度与时间等)进行改进，与现有技术相比能够有效解决以下问题：1)解决CsPbBr3晶体生长过程中相变应力大及容易开裂的问题。由于CsPbBr3晶体生长过程中存在两次相变，即随温度的降低，在130℃时CsPbBr3晶体结构从高温立方相转变为四方相，降至88℃时，又从四方相转变为正交相。在相变过程中，由于晶格参数的变化，在晶体中产生较大的应力。水平区熔法是通过水平移动加热器实现CsPbBr3晶体生长，水平放置的棒状多晶锭顶部区域处于开放的自由状态，这样有利于CsPbBr3晶体生长过程中相变应力从安瓿壁的释放，从而大大减少了因相变应力而导致的晶体开裂问题。2)解决大尺寸CsPbBr3晶体生长困难的问题。布里奇曼法是目前广泛采用的生长大尺寸单晶的方法，但由于该方法是通过安瓿的移动实现单晶生长，安瓿的移动所产生的机械振动容易在晶体中产生结构缺陷。而垂直温度梯度凝固法生长大尺寸单晶，需要多温区的生长炉，设备复杂且温场稳定性难以保证。溶液法生长CsPbBr3晶体能在较低的温度下进行，可避免相变引起的应力问题，但是溶液法生长容易产生包裹体，严重影响晶体质量，另外溶液法生长厘米级甚至更大尺寸的单晶效率低下。而水平移动区熔法晶体生长，其安瓿不动，其加热器的移动沿着水平方向进行，设备简单、机械震动小等，避免了因重力作用导致的应力及不均匀问题，适合制备完整性好、均匀性好的大尺寸CsPbBr3单晶。3)解决CsPbBr3晶体纯度及单晶质量问题。探测器对材料纯度及单晶质量要求极高，微量杂质和缺陷的存在都会导致探测效率降低。由于区熔法在晶体生长的同时能对晶体材料进行进一步提纯，即能使分凝系数较小的杂质富集在晶体的尾端，因而可以得到纯度较高的CsPbBr3晶体。本专利技术提供了一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将洁净干燥的带有圆锥形尖端的圆柱形石英安瓿置于反应炉腔内抽至真空，然后将炉腔升温至1000-1150℃，在通入载气的同时向该石英安瓿中通入甲烷，从而对该石英安瓿内壁进行镀碳膜处理得到镀碳安瓿；(2)向所述步骤(1)得到的所述镀碳安瓿内装入CsPbBr3粉料，抽真空并密封得到密封安瓿，然后将装有该CsPbBr3粉料的密封安瓿置于热处理炉中，将该热处理炉升温使CsPbBr3粉料熔化，然后冷却使熔化状态的CsPbBr3凝固形成多晶料棒，得到装有多晶料棒的密封安瓿；(3)将所述步骤(2)得到的所述装有多晶料棒的密封安瓿置于水平移动区熔炉的石英管中，将所述水平移动区熔炉的加热器移至该密封安瓿的尖端，并将该加热器升温至620-650℃，然后以5-20μm/min的速度移动该加热器，使该加热器从所述密封安瓿的尖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将洁净干燥的带有圆锥形尖端的圆柱形石英安瓿置于反应炉腔内抽至真空，然后将炉腔升温至1000‑1150℃，在通入载气的同时向该石英安瓿中通入甲烷，从而对该石英安瓿内壁进行镀碳膜处理得到镀碳安瓿；(2)向所述步骤(1)得到的所述镀碳安瓿内装入溴铅铯粉料，抽真空并密封得到密封安瓿，然后将装有该溴铅铯粉料的密封安瓿置于热处理炉中，将该热处理炉升温使溴铅铯粉料熔化，然后冷却使熔化状态的溴铅铯凝固形成多晶料棒，得到装有多晶料棒的密封安瓿；(3)将所述步骤(2)得到的所述装有多晶料棒的密封安瓿置于水平移动区熔炉的石英管中，将所述水平移动区熔炉的加热器移至该密封安瓿的尖端，并将该加热器升温至620‑650℃，然后以5‑20μm/min的速度移动该加热器，使该加热器从所述密封安瓿的尖端开始移动至该密封安瓿的另一端，由此完成溴铅铯晶体的生长过程，得到溴铅铯晶体。

【技术特征摘要】
1.一种溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将洁净干燥的带有圆锥形尖端的圆柱形石英安瓿置于反应炉腔内抽至真空，然后将炉腔升温至1000-1150℃，在通入载气的同时向该石英安瓿中通入甲烷，从而对该石英安瓿内壁进行镀碳膜处理得到镀碳安瓿；(2)向所述步骤(1)得到的所述镀碳安瓿内装入溴铅铯粉料，抽真空并密封得到密封安瓿，然后将装有该溴铅铯粉料的密封安瓿置于热处理炉中，将该热处理炉升温使溴铅铯粉料熔化，然后冷却使熔化状态的溴铅铯凝固形成多晶料棒，得到装有多晶料棒的密封安瓿；(3)将所述步骤(2)得到的所述装有多晶料棒的密封安瓿置于水平移动区熔炉的石英管中，将所述水平移动区熔炉的加热器移至该密封安瓿的尖端，并将该加热器升温至620-650℃，然后以5-20μm/min的速度移动该加热器，使该加热器从所述密封安瓿的尖端开始移动至该密封安瓿的另一端，由此完成溴铅铯晶体的生长过程，得到溴铅铯晶体。2.如权利要求1所述溴铅铯单晶的水平移动区熔制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志平，傅邱云，周东祥，罗为，陈成，张明智，张森，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42