静电场下溶液法生长碘化汞晶体形貌分析

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1、密级无分类号O78XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:静电场下溶液法生长碘化汞晶体形貌分析作者：杨丛笑指导教师：许岗副教授申请学位学科：材料学2018年5月12日静电场下溶液法生长碘化汞晶体形貌分析学科：材料学研究生签字：指导教师签字：摘要碘化汞晶体（α-HgI2）是一种性能优异的室温半导体探测器材料。目前被广泛的应用于医学成像（乳房X光检查，数字X射线成像）、荧光分析、空间实验、无损检测、放射治疗、环境保护、军事、核工业等领域。目前[001]晶向定向生长，且晶粒均匀致密的α-HgI2多晶薄膜成为了医学成像和核辐射探测领域

2、的研究热点，通过溶液法生长籽晶层来辅助外延气相薄膜的生长可以得到择优效果良好的HgI2多晶薄膜。因此本文以籽晶层的生长以及溶液生长机理分析为研究内容，并引入静电场以[HgI2--2]、[HgI4]和[HgI3]为生长单元，研究和分析静电场下的HgI2晶体生长，为HgI2籽晶层的生长提供了一种新的方法。为确定溶液法生长HgI2晶体的生长单元，通过紫外可见光谱分析了HgI2溶液中的单体形式；通过生长机理确定了HgI2晶体的生长单元。DMSO-H2O-HgI2体系中生长单元为[HgI2]和HgI2·(DMSO)2；DMF-HgI2-H2O体系中，生长单元为[HgI2

3、]和HgI2·(C3H7NO)2；HgCl2--2-KI-H2O和HgI2-HI-H2O体系其晶体生长单元为[HgI2]、[HgI4]和[HgI3]。为获得连续的HgI2--2籽晶层，在HgI2-HI-H2O体系，以[HgI2]、[HgI4]和[HgI3]为生长单元，研究了不同电场强度和溶质浓度对晶体形貌的影响。结果表明：溶质浓度一定，随着电场强度的增加晶体形貌由规则的四方形状转变为沿电场方向生长的“鱼骨状”。这是[HgI2--4]和[HgI3]沿电场方向迁移，并键合结晶的结果。其中电场强度为48V/cm时，电场对晶体形貌的控制效果最突出；电场强度一定，随着溶

4、质浓度的降低，晶体形貌由具有电场下离子迁移效果的大颗粒状转变为连续致密的片层状和沿电场方向生长的枝状晶。研究了静电场对HgI2晶体形貌的影响，结果表明电场下晶体生长主要受晶体形核功和原子由基体向晶核表面迁移的激活能的影响。电场下结晶的形核功大于非电场下形核功的主要原因在于静电场中负离子或负离子和中性分子键合定向迁移导致负极处溶质浓度大大降低。在稀溶液环境中，分子碰撞形核能力大大降低，导致形核功增大。研究发现，[HgI2--2]、[HgI4]和[HgI3]都是晶体生长单元。有无电场作用均存在晶体的相变过程，表明电场环境不影响[HgI2]的形核长大过程。为研究亚稳

5、β-HgI2晶体及相变过程，采用MaterialStudio(MS)，通过BFDH模型预测了亚稳β-HgI2晶体形貌，建立了主要晶面的六种不同生长速率比下的晶体模型，研究了晶体在生长过程中可能出现的习性；对实验中出现的菱形和四方形的亚稳β-HgI2晶体与模拟形貌进行对比分析。结果基本一致，表明微观环境变化会影响晶体习性。并通过相变动力学研究了亚稳β-HgI2→α-HgI2相变过程，其相变为结构重构的一级相变。关键词：α-HgI2籽晶层；静电场；晶体形貌；亚稳β-HgI2晶体；晶体生长与相变MorphologyofHgI2CrystalGrowthinSolut

6、ionunderElectrostaticFieldDiscipline:MaterialsScienceStudentSignature:Supervisor:AbstractMercuryiodidecrystal(α-HgI2)isanexcellentroomtemperaturesemiconductordetectormaterial,whichiswildlyappliedinmedicalimaging(mammography,digitalX-ray),fluorescenceanalysis,spaceexperiments,non-des

7、tructivetesting,radiationtherapy,environmentalprotection,military,nuclearindustryandotherfields.Atpresent,poly-crystallineα-HgI2filmwith[001]orientationanduniformsizehasbecomeahotissueintheresearchofmedicalimagingdevicesandnuclearradiationdetection.Thethinfilmofα-HgI2poly-crystallin

8、ewith[001]orientati