孫啟皓,郝瑩瑩,張 鑫,肖 寶,介萬奇,徐亞東
(西北工業(yè)大學材料學院,凝固技術國家重點實驗室,輻射探測材料與器件工信部重點實驗室,西安 710072)
金屬鹵化物鈣鈦礦APbX3(A=MA、FA、Cs,X=Cl、Br、I)因其優(yōu)異的光電性能,被廣泛應用于太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器以及X/γ射線探測器等領域[1-6]。然而,由于鈣鈦礦APbX3中存在有毒元素鉛和有機陽離子的穩(wěn)定性問題[5,7-8],極大限制了其進一步的商業(yè)化應用。因此,探索無鉛且環(huán)境穩(wěn)定性高的鈣鈦礦材料成為人們的研究熱點。Bi3+具有與Pb2+相同的6s26p0電子結構和相似的離子半徑,同時,Bi基鹵化物鈣鈦礦比Pb基鹵化物鈣鈦礦具有更低的毒性和更好的化學穩(wěn)定性[9-12]。因此,越來越多的研究學者致力于探索Bi基鈣鈦礦材料的光電性能和器件性能,其中,全無機鹵化物Cs3Bi2I9類鈣鈦礦各方面的性能尤為引人注目。自美國西北大學科學家Kanatzidis等在2018年首次發(fā)現(xiàn)Cs3Bi2I9具有較好的輻射探測性能以來,Cs3Bi2I9晶體在X射線輻射探測領域已經(jīng)得到了廣泛的研究,并引發(fā)了其后一系列Bi基鈣鈦礦材料的探索與研究[2,4,6,13-15]。
目前已經(jīng)報道的合成與生長Cs3Bi2I9晶體的方法主要是低溫溶液法。Lehner等[16]通過溶劑熱反應法,將BiI3和CsI的兩種原料溶解在無水乙醇中,在高壓反應釜中加熱至120 ℃后過濾分離得到紅色的六角形Cs3Bi2I9晶體。McCall等[17]先使用Bi2O3與CsI溶液法反應得到Cs3Bi2I9多晶料,再使用熔體法生長得到了Cs3Bi2I9晶體,并對其晶體結構和光電性能進行了初步表征。緊接著,McCall等[6]發(fā)現(xiàn)了Cs3Bi2I9對241Am有較好的能譜響應,雖然能量分辨率很差,但是這驗證了Cs3Bi2I9晶體對輻射探測的潛在可能性。隨后,Zhang等[4]通過溶液法生長得到的Cs3Bi2I9晶體的X射線探測器的靈敏度達到1 652.3 μC·Gy-1·cm-2,最低探測劑量率低至130 nGy·s-1。以上事實充分證明,Cs3Bi2I9晶體是一種非常有潛力的室溫核輻射半導體探測材料。然而,由于溶液法生長得到的晶體尺寸較小,應用受到很大的限制。因此,制備大尺寸、高結晶質(zhì)量的Cs3Bi2I9晶體對于其進一步應用起到至關重要的作用。此外,Cs3Bi2I9晶體的熔點只有632 ℃[18],這也意味著晶體可以在較低的溫度生長,從而可以降低晶體的生長成本。然而,目前關于Cs3Bi2I9晶體熔體法生長工藝的報道較少,也沒有Cs3Bi2I9晶體在α粒子探測方面的報道。本文研究了Cs3Bi2I9的生長工藝,采用布里奇曼法生長得到了較大尺寸的單晶體(φ15 mm×50 mm),并對晶體進行了XRD、UV-Vis-NIR、I-V以及輻射探測性能的表征和測試。
生長該晶體的原料為高純的鹵化物粉末,將CsI(≥99.999%)粉末和BiI3(≥99.99%)粉末以化學計量比(3∶2)依次分層裝入直徑為15 mm石英坩堝中,由于CsI容易吸水潮解,整個裝料的過程在手套箱中進行,隨后將石英坩堝用塞子密封從手套箱中取出,把坩堝接到真空封接機進行抽真空。抽真空同時使用立式管式爐對坩堝進行加熱烘烤(120 ℃),抽真空至5×10-5Pa后用氫氧火焰進行坩堝密封。將封好的坩堝放入搖擺爐中,在12 h內(nèi)從室溫升溫到700 ℃,并在此溫度下?lián)u擺20 h以保證原料充分混合均勻,最后在10 h冷卻至室溫,得到Cs3Bi2I9多晶料。隨后,采用垂直布里奇曼法進行晶體生長,將獲得的多晶料放入兩溫區(qū)生長爐中,上爐設定溫度700 ℃,下爐設定溫度500 ℃,溫度梯度為10~15 ℃/cm。首先,將坩堝調(diào)整到高溫區(qū)熔融過熱10 h,待原料充分融化后,調(diào)整坩堝至合適的位置,保溫5 h后坩堝以0.5~2 mm/h的速率開始下降進行晶體生長,生長結束后斷電爐冷至室溫。
使用型號為D/Max 500PC的衍射儀對Cs3Bi2I9進行粉末XRD測試,靶材為Cu靶,特征X射線為Cu-Kα1,衍射儀入射角范圍為10°~90°,設置的掃描速率為20(°)/min,數(shù)據(jù)采集間距為0.02°,設置電壓和電流分別為40 kV和40 mA。采用日本Shimadzu公司生產(chǎn)的UV-3150紫外-可見-近紅外光譜儀對Cs3Bi2I9晶體的禁帶寬度進行表征。使用型號為安捷倫4155C半導體參數(shù)分析儀對Cs3Bi2I9晶體的電阻率進行表征。
采用241Am@5.49 MeV α 粒子放射源對Cs3Bi2I9晶體的探測性能進行表征。將制備好的探測器放置到Imdetek前置放大器的封閉屏蔽盒中。采用陰極入射的方式,Cs3Bi2I9探測器陽極電壓由ORTEC高壓源(型號556)提供。α粒子入射到晶體表面,使晶體發(fā)生電離從而產(chǎn)生大量的電子-空穴對,在外加電場作用下,電子與空穴分別向陽極與陰極做定向運動。來自前置放大器的信號由ORTEC主放大器(型號570)進一步放大和成形,增益為0.5~200,成形時間為2 μs。最后信號輸入到ORTEC多通道分析儀(EZ-MCA-8K)生成能量分辨譜。
圖1(a)為生長得到的黑色光澤Cs3Bi2I9單晶體(φ15 mm×50 mm),晶體在強光照情況下呈現(xiàn)櫻桃紅色,等徑部分尺寸長約40 mm,經(jīng)過加工和拋光后得到尺寸約為7.5 mm×7.5 mm×2 mm,晶片通透性良好,無宏觀缺陷。
圖2(a)所示為Cs3Bi2I9晶體粉末在室溫下的X射線衍射圖譜,其XRD衍射峰與Cs3Bi2I9標準PDF卡片完全一致,沒有多余的雜峰,表明獲得的Cs3Bi2I9晶體為Cs3Bi2I9純相。將XRD數(shù)據(jù)導入到Jade中,通過擬合計算確定其晶胞參數(shù)a=b=0.840 nm,c=2.107 nm,為六方晶系結構(P63/mmc),與已報道的晶體物相結構相吻合[19]。
取未經(jīng)加工處理的自由解理的Cs3Bi2I9晶體進行掃描電鏡觀察,如圖2(b)所示,能觀察到Cs3Bi2I9晶體斷裂面存在明顯的臺階,層狀堆垛特性顯著。
圖2 (a)Cs3Bi2I9粉末的XRD圖譜;(b)Cs3Bi2I9晶體的SEM照片F(xiàn)ig.2 (a) XRD pattern of Cs3Bi2I9 powder; (b) SEM image of Cs3Bi2I9 crystal
如圖3(a)所示,在室溫下測試Cs3Bi2I9晶體在500~1 300 nm范圍內(nèi)的紫外-可見-近紅外漫反射譜,來確定晶體的帶隙,由于強吸收,樣品的反射率從大約650 nm開始急劇下降。通過Kubelka-Munk公式(K-M)將反射轉換為吸收率進行帶隙擬合[20]:
(1)
式中:R為相對反射率;α為半導體的吸收系數(shù);S為散射系數(shù)。將吸收率與能量的線性擬合外推,得到Cs3Bi2I9的帶隙為2.03 eV。
使用真空蒸鍍的方法在Cs3Bi2I9晶片的上下表面對稱沉積厚度約為50 nm的Au電極,電極尺寸為1.5 mm×1.5 mm,與晶體形成歐姆接觸。圖3(b)所示為Cs3Bi2I9晶體在室溫下-10~10 V電壓范圍內(nèi)的電流變化曲線,擬合得到其電阻率為5.83×1011Ω·cm。
采用241Am 5.49 MeV α粒子作為輻射源,對制備的Au/Cs3Bi2I9/Au器件進行能譜響應測試。如圖4(a)所示,通過采集前置放大器產(chǎn)生的電壓幅值變化信號以獲得載流子的漂移時間,選擇脈沖幅度10%~90%的時間間隔計算相應的tr。對于載流子在晶體內(nèi)部的漂移過程,遷移率μ可以由公式(2)進行計算[21]:
(2)
式中:υdr為載流子在晶體內(nèi)部的漂移速度;E為施加在晶體上的電場強度;V為施加在晶片上的偏壓;tr為載流子的漂移時間;d為晶片的厚度。如圖4(b)所示,擬合得到Cs3Bi2I9晶體的電子遷移率為4.33 cm2·V-1·s-1。
首次在室溫下觀察到Cs3Bi2I9晶體對α粒子的全能峰信號。圖5(a)所示給出了在100 V至500 V的外加偏壓下Cs3Bi2I9探測器的能譜響應信號,并在500 V外加偏壓下實現(xiàn)了39%的能量分辨率。如圖5(a)所示,根據(jù)Hecht單載流子方程[22],擬合得到的Cs3Bi2I9晶體的電子的載流子遷移率壽命乘積μτ為8.21×10-5cm2·V-1。
圖3 (a)Cs3Bi2I9晶體的紫外-可見-近紅外漫反射光譜;(b)Cs3Bi2I9晶體的I-V曲線Fig.3 (a) UV-Vis diffuse reflectance spectra of Cs3Bi2I9 crystal; (b) I-V curve of Cs3Bi2I9 crystal
圖4 (a)Cs3Bi2I9探測器前放信號;(b)Cs3Bi2I9晶體的電子遷移率的擬合Fig.4 (a) Preamplifier signal of Cs3Bi2I9 crystal; (b) fitting of Cs3Bi2I9 electron mobility
圖5 (a)Cs3Bi2I9晶體探測器在241Am α源下的能譜響應信號;(b)通過單載流子Hecht方程擬合得到Cs3Bi2I9 晶體的遷移率壽命積(μτ)Fig.5 (a) Spectrum response of Cs3Bi2I9 detector under 241Am α source; (b) mobility-lifetime product(μτ) of Cs3Bi2I9 fitted by single carrier Hecht equation
本文采用布里奇曼法生長出尺寸為φ15 mm×50 mm的Cs3Bi2I9透明單晶體。首次在室溫條件下觀察到Cs3Bi2I9晶體明顯的α粒子的全能峰信號,在500 V外加偏壓下實現(xiàn)了39%的能量分辨率。此外,通過擬合得到Cs3Bi2I9晶體的電子遷移率約為4.33 cm2·V-1·s-1,以及電子遷移壽命乘積μτ為8.21×10-5cm2·V-1。為進一步開展Cs3Bi2I9晶體的晶體生長研究和X/γ射線探測器的發(fā)展提供一定參考。