用于辐射探测器的多晶碘化汞薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种利用磁力搅拌激励的垂直沉积技术生长多晶碘化汞薄膜的工艺，生长出来的多晶碘化汞薄膜作为过渡缓冲层，特别适合于X射线、Gama射线多晶碘化汞厚膜探测器的制备，本发明属化学液相沉积技术领域。本发明以2,7-二溴-4-羟汞基荧光红双钠盐（又名汞溴红）、碘酊为先驱反应溶液，无水酒精为溶剂，制得了多晶碘化汞薄膜。对所制备的薄膜采用金相显微镜、XRD、紫外-可见分光光度计进行表征。结果表明化学液相垂直沉积法可制备得到沿 晶向柱状生长的多晶碘化汞薄膜，且晶粒结构完整性好、均匀性佳，膜厚约为800nm，禁带宽度为2.26eV。本发明具有潜在的实际应用前景。

权利要求

1.一种用于辐射探测器的多晶碘化汞薄膜的制备方法，其特征在于该方法具有如下工艺过程和步骤：a．碘化汞薄膜的制备： 将2,7-二溴-4-羟汞基荧光红双钠盐(又名汞溴红)、碘酊

2+ �

试剂按[Hg ]和 [I ]的配合要求，各配制成浓度为20g/L的溶液，并取用两者溶液的体积比为1:3；将两者的混合溶液倒入实验装置中；实际装置中的旋转磁子以每分钟500 rpm的+ -速度转动，使两种试剂充分反应；0.5h后，游离出来的金属Hg 与I 离子充分结合形成HgI2分子，这时调整旋转磁子的速度转动为每分钟200 rpm，并倒入等量的无水酒精，其目的是为了加速后续步骤的蒸发；然后垂直插入分别经过丙酮、无水酒精和去离子水超声15分钟后烘干了的光滑ITO导电玻璃基片，并使其在20℃的温度下进行生长；4天后，溶剂接近完全蒸发，取出ITO基片，此时ITO基片表面长有一层红色的薄膜，薄膜厚度约为800nm；

b．碘化汞晶粒的长大： 将制得的上述样品放置在退火炉内，以105 ℃恒温在氮气气氛中退火0.5h；最终得到多晶碘化汞薄膜。

说明书

用于辐射探测器的多晶碘化汞薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用磁力搅拌激励的垂直沉积技术生长多晶碘化汞薄膜的工艺，生长出来的多晶碘化汞薄膜作为过度缓冲层，特别适合于X射线、Gama射线多晶碘化汞厚膜探测器的制备，本发明属化学液相沉积技术领域。

背景技术

[0002] 碘化汞晶体因其禁带宽度大、原子序数高、电阻率高、吸收截面大以及室温时体电流小等优点，被国内外认为是一种新型室温半导体核辐射探测器材料。在室温下，其制得的高能辐射探测器对X、Gama射线能量分辨率较高，可用于航空航天、环境监测、安全检查、核医学和高能物理等众多领域。同时碘化汞探测器还具有使用寿命长、耐气候变化、低功耗以及在经受高辐射剂量照射后核辐射探测器的灵敏度不变等优点。由于碘化汞单晶体生长制备的成本较高而且不容易获得大面积的单晶体，故目前国际上研究的热点是多晶碘化汞的生长工艺。

[0003] 目前，多晶碘化汞的常用沉积方法都属于物理方法，包括有SP(丝网印刷) 、PVD(物理气相沉积) 、LA(激光消融法)、HP(热压法)以及PIB(粘结剂法)等。而以上这些物理方法则要求原材料碘化汞粉末有分析纯级以上纯度(﹥99.9999%)，倘若原材料纯度低于该标准时，就难以用这些物理方法来制备得到多晶碘化汞，即使勉强沉积得到的碘化汞材料，其结构性能差异也较大。迄今为止还没有文献记载过用纯化学方法生长多晶碘化汞材料。

发明内容

[0004] 本发明提供一种利用磁力搅拌激励的垂直沉积技术生长多晶碘化汞薄膜的工艺。以2,7-二溴-4-羟汞基荧光红双钠盐（又名汞溴红）、碘酊为先驱反应溶液，无水酒精为溶剂，制得了多晶碘化汞薄膜。对所制备的薄膜采用金相显微镜、XRD、紫外-可见分光光度计进行表征。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。

[0006] 本发明一种用于辐射探测器的多晶碘化汞薄膜的制备方法，其特征在于该方法具有如下工艺过程和步骤：a.碘化汞薄膜的制备： 将2,7-二溴-4-羟汞基荧光红双钠盐(又名汞溴红)、碘酊
2+ −
试剂按[Hg ]和 [I ]的配合要求，各配制成浓度为20g/L的溶液，并取用两者溶液的体积比为1:3；将两者的混合溶液倒入实验装置中；实际装置中的旋转磁子以每分钟500 rpm的+ -
速度转动，使两种试剂充分反应；0.5h后，游离出来的金属Hg 与I 离子充分结合形成HgI2分子，这时调整旋转磁子的速度转动为每分钟200 rpm，并倒入等量的无水酒精，其目的是为了加速后续步骤的蒸发；然后垂直插入分别经过丙酮、无水酒精和去离子水超声15分钟后烘干了的光滑ITO导电玻璃基片，并使其在20℃的温度下进行生长；4天后，溶剂接近完全蒸发，取出ITO基片，此时ITO基片表面长有一层红色的薄膜，薄膜厚度约为800nm。

[0007] b.碘化汞晶粒的长大：将制得的上述样品放置在退火炉内，以105 ℃恒温在氮气气氛中退火0.5h；最终得到多晶碘化汞薄膜。

[0008] 本发明的特点是：通过溶剂的蒸发携带先驱反应溶液所得反应产物自发在垂直插入的光滑ITO导电玻璃基片上利用毛细管力装组成为二维或三维结构的薄膜；操作温度要求为室温～100℃，无真空度要求。本发明的结构简单，易于操作，可重复使用；特别适合于在常温常压下制备多晶碘化汞薄膜材料。

附图说明

[0009] 图1为多晶HgI2薄膜生长装置示意图。

[0010] 图2为20 ℃温度下多晶HgI2薄膜XRD图谱。

[0011] 图3为多晶HgI2薄膜金相显微图。

[0012] 图4为多晶HgI2薄膜吸收光谱。

[0013] 图5为多晶HgI2薄膜 (吸收系数*光子能量)2-光子能量 关系图。

[0014] 具体实施方式并对附图具体说明现将本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例：
碘化汞薄膜的制备： 将2,7-二溴-4-羟汞基荧光红双钠盐(又名汞溴红)、碘酊试剂
2+ -
按[Hg ]和 [I]的配合要求，各配制成浓度为20g/L的溶液，并取用两者溶液的体积比为
1:3；将两者的混合溶液倒入实验装置中；实际装置中的旋转磁子以每分钟500 rpm的速度+ -
转动，使两种试剂充分反应；0.5h后，游离出来的金属Hg 与I 离子充分结合形成HgI2分子，这时调整旋转磁子的速度转动为每分钟200 rpm，并倒入等量的无水酒精，其目的是为了加速后续步骤的蒸发；然后垂直插入分别经过丙酮、无水酒精和去离子水超声15分钟后烘干了的光滑ITO导电玻璃基片，并使其在20℃的温度下进行生长；4天后，溶剂接近完全蒸发，取出ITO基片，此时ITO基片表面长有一层红色的薄膜，薄膜厚度约为800nm。

[0015] 将制得的上述样品放置在退火炉内，以105 ℃恒温在氮气气氛中退火0.5h；最终制得多晶碘化汞薄膜。

[0016] 本发明中所用的多晶碘化汞薄膜生长装置显示于图1，图中是有磁力搅拌激励的旋转磁子。

[0017] 仪器检测本实施例中所得产物经仪器检测，其检测结果显示于以下各图中。

[0018] 图2是20 ℃温度下多晶HgI2薄膜XRD图谱，由图可以看出，当薄膜生长温度为20 ℃时，衍射谱线中出现了若干衍射峰，其峰位分别在28.96°、60.24°、75.88°，对比标准HgI2-PDF卡片，其对应的衍射峰应该是(004)、(008)、(0010)，属于<001>晶向族。这表明采用垂直沉积法生长的HgI2薄膜存在<001>晶向择优取向。

[0019] 图3为多晶HgI2薄膜金相显微图。(a) 是放大倍数为×200时生长出的HgI2薄膜的表面形貌，可以发现，利用垂直沉积法制备的HgI2薄膜虽然致密性不是很高，但是生长出来的晶粒分布较为均匀；(b) 是放大倍数为×500时生长出的HgI2薄膜的表面形貌，可以发现，经过对金相显微图进一步放大，利用垂直沉积法制备的HgI2薄膜的晶粒尺寸也较为均匀且晶粒形状也初步显示出来，其形状应该柱状晶粒；(c) 是放大倍数为×1000时生长出的HgI2薄膜的表面形貌，可以发现，晶粒表面覆盖了一层包衣；(d) 是经过表面清洗处理(对薄膜进行表面清洗处理的过程包括：将薄膜浸入无水酒精漂洗，2次，每次2秒；再用18兆欧水（又名去离子水）溶液冲洗薄膜表面，3次，每次2秒)之后放大倍数为×1000时生长出的HgI2薄膜的表面形貌，可以发现，薄膜经过表面清洗处理之后，晶界明显出现；同时可以观察到晶粒形状的确是多晶柱状晶粒；从图中还可以发现20 ℃下生长的HgI2薄膜晶粒直径接近1μm。

[0020] 图4为多晶HgI2薄膜吸收光谱，由图可以看出，20 ℃下垂直沉积法制备的多晶HgI2薄膜在近390 nm以下的紫外区有较强的光吸收，在可见区的400-800nm之间有一宽波长范围的吸收带，进一步放大此范围的吸收光谱未见明显的吸收峰。同时，吸收光谱可在一定程度反映出微粒的颜色，在400-800 nm有光吸收的HgI2薄膜，呈红色。卤化汞的颜色变化与卤离子极化作用密切相关，无色的卤离子极化以后，电子能级随着改变，使激发态和基态的能量差变小，因而能吸收可见光变为有色。在卤离子中碘离子最易被极化，因此碘化物的颜色最深，嗅化物次之，而氯化物和氟化物常常是白色的。

[0021] 图5为多晶HgI2薄膜 (吸收系数*光子能量)2-光子能量 关系图，由图可以看出，20 ℃下垂直沉积法制备的多晶HgI2薄膜的带隙宽度达到了2.26eV，接近室温下标准α-HgI2单晶体禁带宽度2.13eV。