專利名稱:生長碘化鉛單晶體的方法及系統的制作方法
技術領域:
本發明涉及材料物理與化學領域,具體涉及一種生長碘化鉛單晶體的方法及系統。
背景技術:
碘化鉛(PbI2)單晶體是制作室溫χ-射線(或Y射線)探測器的材料之一,用碘化鉛單晶體制作的器件可以在室溫甚至更高的溫度范圍內工作。對制作探測器的碘化鉛單晶體的完整性有極高要求首先要求單晶體具有極高的純度,以消除雜質原子在單晶體中引起的缺陷;其次要求嚴格符合化學配比,以消除原子缺位引起的晶體缺陷。在現有技術中,生長碘化鉛單晶體的方法主要有氣相法和熔體法,且熔體法中的 垂直布里奇曼法應用得更多。在一種改進的垂直布里奇曼法中,采用U型管作為原料的盛放器具。在使用該方法生長碘化鉛單晶體時,U型管的一端裝有碘化鉛多晶體,另一端裝有鉛粉。在操作過程中,將裝有兩種原料的U型管放入兩溫區生長爐中,并通過在兩溫區生長爐中的高溫區熔化原料,再在兩溫區生長爐中的低溫區冷凝結晶,得到碘化鉛單晶體。但是,液態碘化鉛冷凝結晶前會分離出液態鉛,在上述方法中,沒有控制液態碘化鉛的分離過程,在重力作用下,分離出的液態鉛會下沉離開結晶界面,使得最終生長得到的碘化鉛單晶體為富碘的碘化鉛單晶體。該富碘的碘化鉛單晶體中鉛與碘的原子摩爾比小于碘化鉛的理想化學配比1:2。因此,現有的生長碘化鉛的方法得到的碘化鉛單晶體中鉛與碘的原子摩爾比偏離理想化學配比。
發明內容
本發明提供一種生長碘化鉛單晶體的方法及系統,能夠生長得到接近理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明提供了一種生長碘化鉛單晶體的方法,包括放置碘化鉛籽晶和對碘化鉛預鑄錠的熔化與結晶;所述放置碘化鉛籽晶為將所述碘化鉛籽晶放置在所述碘化鉛預鑄錠上方,并與所述碘化鉛預鑄錠接觸,其中,所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比為 I 1. 95-1:2. 05 ;所述熔化為保持所述碘化鉛籽晶為固態,對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從上至下的依次加熱,使所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為液態碘化鉛;所述結晶為在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛時,使所述液態碘化鉛從與所述碘化鉛籽晶的接觸位置處開始從上至下依次結晶;其中,所述液態碘化鉛的溫度為410-450°c,在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛的過程中,所述液態碘化鉛與所述碘化鉛籽晶之間的結晶界面處或所述液態碘化鉛與已結晶的固態的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm。
本發明還提供了一種如前述的生長碘化鉛單晶體的方法的系統,包括石英安瓿,其用于盛放所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠,其中,所述碘化鉛籽晶位于所述石英安瓿的儲料腔的底部,所述碘化鉛預鑄錠填滿所述石英安瓿的生長室和籽晶袋,所述儲料腔位于所述生長室的上方;加熱器,其用于對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向的從上至下的依次加熱,并使得所述液態碘化鉛處于410-450°C的溫度環境中;其中,在加熱時,逐漸提升所述石英安瓿或逐漸下移所述加熱器,直至所述生長室的底部緩慢離開所述加熱器為止,所述石英安瓿的提升速度和/或所述加熱器的下移速度為 5-50mm/ 天。通過本發明提供的一種生長碘化鉛單晶體的方法及系統,能夠帶來以下有益效果 能夠得到接近理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明在生長碘化鉛單晶體時,采用的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比均為I: I. 95-1:2. 05,接近理想的化學配比。碘化鉛籽晶放置在碘化鉛預鑄錠的上方并與其接觸,在生長時,保持上方的碘化鉛籽晶為固態,從碘化鉛籽晶與碘化鉛預鑄錠的接觸位置起,對碘化鉛預鑄錠進行從上至下的依次加熱,使其熔化為液態碘化鉛,并使碘化鉛預鑄錠從與碘化鉛籽晶的接觸位置起從上至下依次結晶。在晶體生長過程中,由于碘化鉛籽晶在液態碘化鉛的上方,消除了液態碘化鉛上方的剩余空間,從而有效阻止了液態碘化鉛中的碘揮發,進而阻止了碘化鉛的分解,從而使液態碘化鉛中鉛與碘的原子摩爾比保持為1:1.95-1:2.05。又由于本發明采用了區域熔煉的加熱方法,結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm,該溫度梯度是經實驗得出的能夠使液態碘化鉛結晶同時又不會析出液態鉛的較佳的溫度梯度,因為該溫度梯度較大,使結晶界面處處于過冷狀態的液態碘化鉛的數量較少,液態碘化鉛中的液態鉛核心碰撞長大的幾率降低,從而沒有足夠的時間孕育析出液態鉛,從而有效避免了液態碘化鉛的分離(當液態碘化鉛中有液態鉛析出時,液態碘化鉛會分離為液態鉛和富碘的碘化鉛),從而使結晶得到的碘化鉛單晶體保持碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比,即晶體中鉛與碘的原子摩爾比也為I :1.95-1:2. 05。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,以下將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,以下描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員而言,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖所示實施例得到其它的實施例及其附圖。圖I為本發明的生長碘化鉛單晶體的方法的一種實施例的步驟圖;圖2為本發明的采用垂直布里奇曼法制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的一種實施例的步驟圖;圖3為使用圖2的方法制備的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠并生長碘化鉛單晶體的方法的一種實施例的步驟圖;圖4為本發明裝入碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠后所述石英安瓿的一種實施例的結構示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明各實施例的技術方案進行清楚、完整的描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例,都屬于本發明所保護的范圍。本發明提供了一種生長碘化鉛單晶體的方法,包括放置碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的熔化與結晶,所述放置碘化鉛籽晶為將所述碘化鉛籽晶放置在所述碘化鉛預鑄錠上方,并與所述碘化鉛預鑄錠接觸,其中,所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比為 I 1. 95-1:2. 05 ;所述熔化為保持所述碘化鉛籽晶為固態,對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從 上至下的依次加熱,使所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為液態碘化鉛;所述結晶為在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛時,使所述液態碘化鉛從與所述碘化鉛籽晶的接觸位置處開始從上至下依次結晶;其中,所述液態碘化鉛的溫度為410-450°C,在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛的過程中,所述液態碘化鉛與所述碘化鉛籽晶之間的結晶界面處或所述液態碘化鉛與已結晶的固態的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm。本發明通過控制用于生長碘化鉛單晶體的原料(碘化鉛籽晶與碘化鉛預鑄錠)的化學配比,和控制碘化鉛從上向下結晶的溫度梯度,使碘化鉛預鑄錠結晶成碘化鉛單晶體,同時有效避免液態鉛的析出,從而生長得到接近(優選地,能夠達到)理想化學配比的碘化鉛單晶體。在本發明的生長碘化鉛單晶體的一個實施例中,參照圖1,包括以下步驟在生長碘化鉛單晶體之前先選擇碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠,為了保證最后得到的碘化鉛單晶體接近理想的化學配比,要選擇鉛與碘的化學配比接近或符合理想的化學配比的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠,鉛與碘的原子摩爾比的范圍為=1:1.95-1:2.05。在對碘化鉛預鑄錠進行加熱熔化和結晶時,為了避免氣-液界面的出現(氣-液界面出現后會導致液態碘化鉛中的碘脫離熔體,破壞熔體中的已經接近理想化學配比的鉛與碘的原子摩爾比),碘化鉛籽晶需要位于液態碘化鉛(碘化鉛預鑄錠熔化得到的液態碘化鉛)的上方,并保證在加熱熔化碘化鉛預鑄錠時上部的碘化鉛籽晶為固態。同時,碘化鉛籽晶的位置位于上方還能夠使碘化鉛單晶體從上向下生長,以有效保證當液態碘化鉛中有液態鉛析出時,液態鉛能夠在重力的作用下向下排除,不會包裹在碘化鉛單晶體中。步驟101 :保持上部的碘化鉛籽晶為固態,對下部的所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從上至下的依次加熱,使其從上向下依次熔化。采用區域熔煉的方法,例如可以使用環形加熱器,在保持碘化鉛籽晶為固態的同時,對碘化鉛籽晶下方的碘化鉛預鑄錠從上至下依次加熱到410-450°C,使其依次熔化,并使液態碘化鉛與碘化鉛籽晶和/或已結晶的固態的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm,在阻止所述液態碘化鉛分離的條件下,讓液態碘化鉛結晶為單晶體。由于阻止了液態鉛的析出,且碘化鉛預鑄錠是接近或符合理想化學配比的,從而能夠保證得到接近于理想化學配比的碘化鉛單晶體。
在本發明的另一個實施例中,進一步包括以下步驟步驟102 :—次或多次重復上述過程(步驟101的過程),直至得到的碘化鉛單晶體達到使用要求。由于碘化鉛單晶體可應用于多種領域,而每種領域對碘化鉛單晶體的使用要求不同,該要求可以是碘化鉛單晶體的純度要求,也可以是化學配比的要求,或者是電阻率等物理性能方面的要求。例如,當用所述碘化鉛單晶體制作光電導器件時,可以不經過提純處理,此時晶體的電阻率在IOkiQ cm數量級,又如,用于制作室溫X-射線和Y-射線探測器的碘化鉛單晶體,需要提純10次或更多次,此時晶體的電阻率在1013Ω · cm數量級。重復步驟101的過程,不僅可提高碘化鉛單晶體的純度(碘化鉛在結晶時會排除雜質,多次結晶會不斷排出雜質,從而提高純度),還能夠提高晶體的完整性(雜質濃度降低后,晶體的結晶性能得到改善,有利于得到完整性好的晶體)。重復次數不做限定,直至生長得到的碘化鉛單晶體符合使用要求為止。使用要求較低時,可不重復或重 復較少次,而當使用要求較高時,則需要重復多次,例如探測領域的要求較高,則需要重復多次才能達到要求。從而,重復步驟101的過程能夠使本發明穩定地得到接近于理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明用于生長碘化鉛單晶體的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠可通過垂直布里奇曼法制備。在本發明的一個實施例中,采用無碘化鉛籽晶垂直布里奇曼法,并選用接近或符合理想化學配比的碘化鉛多晶體為原料,從下至上結晶得到一個單晶體,即為碘化鉛預鑄錠和碘化鉛籽晶。并將該單晶體的頂部部分作為碘化鉛籽晶,其余部分作為碘化鉛預鑄錠,并進行從上至下的再次熔化與結晶,得到接近于理想化學配比的碘化鉛單晶體。在本發明的通過垂直布里奇曼法制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的一個實施例中,通過控制生長爐內的溫度,及裝有碘化鉛多晶體原料的安瓿的下降速度,從而得到碘化鉛單晶體。在該實施例中,步驟I為讓碘化鉛多晶體原料從生長爐的上方逐漸下降進入生長爐的上部內,下降速度為l_50mm/h,當所述碘化鉛多晶體原料完全進入所述生長爐的上部的等溫區域熔化成液體碘化鉛后,停止下降,并在所述生長爐的上部內保溫靜置24-96h。步驟2為將所述液態碘化鉛在所述生長爐中下降至所述生長爐的下部凝固成為單晶體,下降速度為5-50_/天,當所述單晶體完全進入所述生長爐的下部的等溫區域后,停止加熱,讓所述單晶體在所述生長爐中冷卻到室溫;其中,所述生長爐的上部的溫度為410-450°C,下部的溫度為200-380°C,上下部之間過渡區域的溫度梯度為5_30°C /cm。在本發明的一個實施例中,選用安瓿作為原料的盛放裝置,實驗效果更好。優選地,選擇高純石英安瓿,雜質較少,從而可有效保證得到的碘化鉛單晶體的純度。在本發明的制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的一個實施例中,使用石英安瓿作為盛放原料的裝置,同時使用生長爐作為熱源供應裝置及保溫裝置,參照圖2,包括以下步驟步驟201 :清洗并烘干石英安瓿。使用去離子水清洗石英安瓿,能夠有效除去石英安瓿中的雜質,從而為得到高純度的碘化鉛單晶體提供保障。優選地,用潔凈的烘箱烘干,能夠在得到干燥的石英安瓿時有效避免引入其它的雜質。步驟202 :向石英安瓿中裝入接近或達到理想化學配比的碘化鉛多晶體原料,例如鉛與碘的原子摩爾比為1:1.95-1:2. 05的原料。這樣就能保證在阻止液態碘化鉛分離的條件下,得到接近或達到理想的碘化鉛單晶體。步驟203 :對石英安瓿抽真空并密封。將石英安瓿上的裝料口作為抽氣口使用,通過抽氣口將石英安瓿的內部抽為真空,并對該抽氣口進行密封。優選地,對所述石英安瓿抽真空至I X IO-3Pa或更高真空度后密封。優選地,在原來的抽氣口位置處制作一個掛鉤,便于控制石英安瓿在生長爐內的上升和下降。步驟204 :熔化碘化鉛多晶體原料。在生長爐中熔化石英安瓿中的碘化鉛多晶體原料,其中,生長爐上部的溫度升高至410-450°C,下部溫度升高至200-380°C,生長爐的上下部之間過渡區域的溫度梯度為5-30°C /cm。將裝有碘化鉛多晶體原料的石英安瓿從生長爐的上方逐漸下降進入生長爐的上部,下降速度為l_50mm/h,當石英安瓿完全進入生長爐的上部的等溫區域,停止下降石英安瓿,并將所述安瓿在所述生長爐的上部內保溫靜置24-96h。
步驟205 :制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠。將在生長爐的上部保溫靜置24_96h后的石英安瓿在所述生長爐中下降至所述生長爐的下部,下降速度為5-50_/天,當所述安瓿完全進入所述生長爐的下部的等溫區域后,停止加熱,讓所述安瓿在所述生長爐中冷卻到室溫,得到碘化鉛單晶體。熔融狀態的碘化鉛在下降至生長爐下部時,生長爐下部的溫度為200-380°C,熔融狀態的碘化鉛會結晶,生長成碘化鉛單晶體。其中,在步驟202中,先確定所述碘化鉛多晶體原料的裝入量,使裝入的所述碘化鉛多晶體原料的量要滿足在所述碘化鉛多晶體原料熔化后,所形成的液態碘化鉛能夠填滿所述石英安瓿的生長室和儲料腔的底部,以確保后續晶體生長工作順利進行。確定碘化鉛多晶體原料的裝入量的方法可通過以下方法實現將石英安瓿豎直放置,向其中注水使石英安瓿的儲料腔底部被淹沒的深度達到5-8_,測量注入的水的體積,該體積與碘化鉛的密度6. 16g/cm3之乘積就是要裝入石英安瓿的所述碘化鉛多晶體原料的質量。在本發明的各實施例中,優選地,在所述裝料過程中,所述碘化鉛多晶體滿足預定的純度,所述預定的純度為99. 99%及以上;和/ 或,碘化鉛多晶體滿足預定的化學配比,所述預定的化學配比為鉛與碘的原子摩爾比為 1:1. 95-1:2. 05。在本發明的一個實施例中,參照圖3,使用通過垂直布里奇曼法制備的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠生長碘化鉛單晶體的方法包括步驟301 :清洗并烘干石英安瓶;步驟302 :向石英安瓿中裝入接近或達到理想化學配比的碘化鉛多晶體原料;步驟303 :對石英安瓿抽真空并密封;步驟304 熔化碘化鉛多晶體;步驟305 :制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠;步驟306 :保持上部的碘化鉛籽晶為固態,對下部的碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從上至下的依次加熱熔化;步驟307 :—次或多次重復步驟306的過程。其中,在步驟306中,在保持碘化鉛籽晶為固態的同時,采用區域熔煉的方法,例如可以使用環形加熱器,對碘化鉛籽晶下方的碘化鉛預鑄錠從上至下依次加熱,使其依次熔化并達到410-450°C,調整液態碘化鉛與碘化鉛籽晶之間的結晶界面處的溫度梯度或液態碘化鉛與已結晶的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度,使其達到5-30°C /cm,讓液態碘化鉛從上向下結晶,從而得到接近于理想化學配比的碘化鉛單晶體。其中,當使用石英安瓿作為盛放原料的器具時,碘化鉛籽晶位于石英安瓿的儲料腔的底部,用于熔化并結晶的碘化鉛預鑄錠填滿生長室和碘化鉛籽晶袋。在步驟306中,采用區域熔煉法對石英安瓿進行加熱,在使用此種方法使石英安瓿的生長室頂部的碘化鉛單晶體熔化,并保持安瓿中儲料腔底部的碘化鉛單晶體為固體狀態后,逐漸提升石英安瓿和/或讓區域熔煉加熱使用的加熱器下移,直至生長室的底部緩慢離開加熱器為止,其中,安瓿的提升速度和/或加熱器的下移速度為5-50_/天。在本發明的各實施例中,優選地,在使用區域熔煉法對所述石英安瓿進行加熱包括用水平放置的溫度均勻的環形加熱器對所述石英安瓿加熱。優選地,使用水平放置的環形加熱器對石英安瓿進行加熱,將石英安瓿插入環形加熱器中,這樣可以得到軸向對稱的溫度場,有利于得到性能優異的單晶體。在步驟307中,重復步驟306的過程,可一次重復或多次重復,直至得到的碘化鉛 單晶體達到使用要求。由于碘化鉛單晶體可應用于多種領域,而每種領域對碘化鉛單晶體的使用要求不同,重復步驟306的過程,可提高碘化鉛單晶體的純度,改善晶體的性能。重復次數不做限定,直至生長得到的碘化鉛單晶體符合使用要求為止。從而,重復步驟306的過程能夠使本發明穩定地得到接近于理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明還提供了一種如前述的生長碘化鉛單晶體的方法的系統,包括石英安瓿,其用于盛放所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠,其中,所述碘化鉛籽晶位于所述石英安瓿的儲料腔的底部,所述碘化鉛預鑄錠填滿所述石英安瓿的生長室和籽晶袋,所述儲料腔位于所述生長室的上方;加熱器,其用于對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向的從上至下的依次加熱,并使得所述液態碘化鉛處于410-450°C的溫度環境中;其中,在加熱時,逐漸提升所述石英安瓿或逐漸下移所述加熱器,直至所述生長室的底部緩慢離開所述加熱器為止,所述石英安瓿的提升速度和/或所述加熱器的下移速度為 5-50mm/ 天。在本發明的一個實施例中,對石英安瓿按照功能進行結構劃分,包括碘化鉛籽晶袋、生長室、儲料腔、抽氣口 /掛鉤。籽晶袋位于安瓿的下端,用于淘汰多余的晶核,得到制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠所需要的碘化鉛籽晶。生長室位于籽晶袋的上方,用于生長碘化鉛預鑄錠。儲料腔位于生長室的上方,用于儲存碘化鉛多晶體原料。抽氣口用于裝卸原料,在裝好原料后,從抽氣口處將安瓿的內部抽成真空,密封后在原來的抽氣口處制作掛鉤,便于控制安瓿在生長爐內的上升和下降。選擇石英玻璃作為制作安瓿的原料,制得石英安瓿。優選地,石英安瓿用純度為99. 99%及以上的石英玻璃制作。在生長碘化鉛單晶體時,碘化鉛籽晶位于石英安瓿的儲料腔的底部,用于結晶的碘化鉛預鑄錠位于儲料腔的下方并填滿生長室和碘化鉛籽晶袋。在生長碘化鉛單晶體時,從儲料腔的下方開始結晶。在生長碘化鉛單晶體的過程中,加熱時,所述液態碘化鉛在所述石英安瓿中的長度與所述生長室的內徑之比為2:1-5:1,保持一個適度的熔化區域,以得到合適的徑向溫度分布,從而使碘化鉛能夠充分進行結晶過程。在本發明的一個實施例中,采用垂直布里奇曼法制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠時,采用兩溫區生長爐對碘化鉛多晶體原料進行加熱,使碘化鉛多晶體原料先在高溫區熔化,然后移動至低溫區結晶,當結晶完畢后,關閉生長爐的電源,使裝有碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的石英安瓿隨生長爐自然冷卻至室溫。在此過程中,碘化鉛多晶體原料結晶為碘化鉛單晶體。其中,生長爐的上部的溫度為410-450°C,下部的溫度為200-380°C,上下部之間過渡區域的溫度梯度為5-30°C /cm。在本發明的各實施例中,優選地,所述生長爐為立式兩溫區管式電阻爐;和/ 或,所述石英安瓿中石英玻璃的純度為99. 99%及以上。在本發明的各實施例中,優選地,所述碘化鉛籽晶袋下部為圓錐形結構,上部為圓 柱形結構;和/或,所述生長室具有圓柱形結構;和/或,所述儲料腔具有圓柱形結構。在如圖4所示的本發明的一個實施例中,石英安瓿包括從底部到頂部依次設置的籽晶袋I、生長室2、儲料腔3和已經密封的抽氣口、掛鉤4,其中,裝入的碘化鉛原料熔化并結晶成碘化鉛預鑄錠和碘化鉛籽晶后,能夠達到位置5處,圖4中所示6為碘化鉛預鑄錠開始熔化的位置。通過本發明提供的一種生長碘化鉛單晶體的方法及系統,能夠帶來以下至少一種有益效果I.能夠得到接近理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明在生長碘化鉛單晶體時,采用的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比均為I: I. 95-1:2. 05,接近理想的化學配比。碘化鉛籽晶放置在碘化鉛預鑄錠的上方并與其接觸,在生長時,保持上方的碘化鉛籽晶為固態,從碘化鉛籽晶與碘化鉛預鑄錠的接觸位置起,對碘化鉛預鑄錠進行從上至下的依次熔化,使其熔化為液態碘化鉛,并使碘化鉛預鑄錠從與碘化鉛籽晶的接觸位置起從上至下依次結晶。在晶體生長過程中,由于碘化鉛籽晶在液態碘化鉛的上方,消除了液態碘化鉛上方的剩余空間,從而有效阻止了液態碘化鉛中的碘揮發,進而阻止了碘化鉛的分解,從而使液態碘化鉛中鉛與碘的原子摩爾比保持為1:1. 95-1:2. 05。又由于本發明采用了區域熔煉的加熱方法,結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm,該溫度梯度是經實驗得出的能夠使碘化鉛結晶同時又不會析出鉛的較佳的溫度梯度,因為該溫度梯度較大,使結晶界面處處于過冷狀態的液態碘化鉛的數量較少,液態碘化鉛中的液態鉛核心碰撞長大的幾率降低,從而沒有足夠的時間孕育析出液態鉛,從而有效避免了液態碘化鉛的分離(當液態碘化鉛中有液態鉛析出時,液態碘化鉛會分離為液態鉛和富碘的碘化鉛),從而使結晶得到的碘化鉛單晶體保持碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比,即晶體中鉛與碘的原子摩爾比也為 1:1. 95-1:2. 05。2.能夠制備接近理想化學配比的碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠,并生長得到接近理想化學配比的碘化鉛單晶體。本發明采用鉛與碘的原子摩爾比為I :1. 95-1:2. 05的碘化鉛多晶體為原料,在用無籽晶的垂直布里奇曼法制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠之前,讓碘化鉛多晶體原料熔化并經歷了靜置過程,在靜置過程中,少量的碘化鉛會分解成碘和鉛,分解產生的碘以蒸汽的形式貯存在安瓿上方的剩余空間中,并與液態碘化鉛形成液相-氣相動態平衡,分解產生的液態鉛沉積到安瓿的底部,并與液態碘化鉛形成液相-液相動態平衡,此時液態碘化鉛的化學配比與多晶體原料的化學配比沒有顯著的差異,即此時液態碘化鉛中鉛與碘的原子摩爾比為I :1. 95-1:2. 05。在制備碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠的過程中,液態碘化鉛凝固前可能會繼續分離出液態的鉛,但由于采用了從下至上的結晶方式,分離出來的液態鉛只能沉積在已生長的碘化鉛晶錠中,從而保持晶錠中鉛與碘的原子摩爾比為1:1.95-1:2.05。在此后的晶體生長過程中,碘化鉛籽晶在液態碘化鉛的上方,完全消除了液態碘化鉛上方的剩余空間,從而阻止了液態碘化鉛的分解,使液態碘化鉛中鉛與碘的原子摩爾比保持為I: I. 95-1:2. 05。又由于采用了區域熔煉的加熱方法,在結晶界面處能夠形成很大的溫度梯度,從而阻止了液態碘化鉛的分離,使最終結晶得到的碘化鉛單晶體與液態碘化鉛具有相同的化學配比,即晶體中鉛與碘的原子摩爾比也為1:1.95-1:2. 05。3.能夠得到符合使用要求的碘化鉛單晶體。本發明對生長得到的碘化鉛單晶體進行多次熔化和結晶,在每次熔化和結晶的過程中,保持上部的碘化鉛籽晶為固態,采用區域熔煉的方法對碘化鉛籽晶下部的碘化鉛預鑄錠從上到下依次熔化和結晶,由于結晶過程能夠排除雜質,從而提高了碘化鉛單晶體的純度,進而使碘化鉛單晶體符合更高的使用要求。4.能夠穩定地得到結晶完好的碘化鉛單晶體。碘化鉛單晶體是橘紅色半透明的 晶體,結晶完好的晶體與石英安瓿之間會產生整齊的紋理,由此可以對晶體的質量進行初步的判斷。當晶體的透明性較差,或與石英安瓿之間的紋理比較紊亂時,可再次進行區域熔煉,從而穩定地得到結晶完好的單晶體。本發明提供的各種實施例可根據需要以任意方式相互組合,通過這種組合得到的技術方案,也在本發明的范圍內。顯然,本領域技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣,倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內,則本發明也包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種生長碘化鉛單晶體的方法,其特征在于,包括放置碘化鉛籽晶和對碘化鉛預鑄錠的熔化與結晶, 所述放置碘化鉛籽晶為將所述碘化鉛籽晶放置在所述碘化鉛預鑄錠上方,并與所述碘化鉛預鑄錠接觸,其中,所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比為 I 1. 95-1:2. 05 ; 所述熔化為保持所述碘化鉛籽晶為固態,對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從上至下的依次加熱,使所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為液態碘化鉛; 所述結晶為在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛時,使所述液態碘化鉛從與所述碘化鉛籽晶的接觸位置處開始從上至下依次結晶; 其中,令所述液態碘化鉛的溫度為410-450°C,在所述碘化鉛預鑄錠從上至下依次熔化為所述液態碘化鉛的過程中,令所述液態碘化鉛與所述碘化鉛籽晶之間的結晶界面處或所述液態碘化鉛與已結晶的固態的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度為5-30°C /cm。
2.如權利要求I所述的生長碘化鉛單晶體的方法,其特征在于,進一步包括 保持所述碘化鉛籽晶為固態,重復對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向的從上至下的依次熔化與結晶。
3.如權利要求I所述的生長碘化鉛單晶體的方法,其特征在于,采用垂直布里奇曼法制備所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠,其中,所述垂直布里奇曼法采用的原料為鉛與碘的原子摩爾比為I :1. 95-1:2. 05的碘化鉛多晶體原料。
4.如權利要求3所述的生長碘化鉛單晶體的方法,其特征在于, 在通過垂直布里奇曼法制備所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠時,讓碘化鉛多晶體原料從生長爐的上方逐漸下降進入生長爐的上部內熔化為液態碘化鉛,下降速度為l-50mm/h,當所述液態碘化鉛完全進入所述生長爐的上部的等溫區域后,停止下降,并在所述生長爐的上部內保溫靜置24-96h ; 將所述液態碘化鉛下降至所述生長爐的下部凝結為所述碘化鉛預鑄錠和所述碘化鉛籽晶,下降速度為5-50mm/天,當所述碘化鉛預鑄錠和所述碘化鉛籽晶完全進入所述生長爐的下部的等溫區域后,停止加熱,讓所述碘化鉛預鑄錠和所述碘化鉛籽晶在所述生長爐中冷卻到室溫,所述碘化鉛籽晶位于所述碘化鉛預鑄錠的上方; 其中,所述生長爐的上部的溫度為410-450°C,下部的溫度為200-380°C,上下部之間過渡區域的溫度梯度為5-30°C /cm。
5.如權利要求3所述的生長碘化鉛單晶體的方法,其特征在于, 所述碘化鉛多晶體原料的純度為99. 99%及以上。
6.一種如權利要求1-5任一項所述的生長碘化鉛單晶體的方法所使用的系統,其特征在于,包括 石英安瓿,其用于盛放所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠,其中,所述碘化鉛籽晶位于所述石英安瓿的儲料腔的底部,所述碘化鉛預鑄錠填滿所述石英安瓿的生長室和籽晶袋,所述儲料腔位于所述生長室的上方; 加熱器,其用于對所述碘化鉛預鑄錠進行豎直方向的從上至下的依次加熱,并使得所述液態碘化鉛處于410-450°C的溫度環境中; 其中,在加熱時,逐漸提升所述石英安瓿或逐漸下移所述加熱器,直至所述生長室的底部緩慢離開所述加熱器為止,所述石英安瓿的提升速度和/或所述加熱器的下移速度為5-50mm/ 天。
7.如權利要求6所述的系統,其特征在于,在加熱時,所述液態碘化鉛在所述石英安瓿中的長度與所述生長室的內徑之比為2:1-5: I。
8.如權利要求6所述的系統,其特征在于, 所述石英安瓿用純度為99. 99%及以上的石英玻璃制作; 和/或; 所述加熱器為環形加熱器。
9.如權利要求6所述的系統,其特征在于,進一步包括生長爐,其為立式兩溫區管式電阻爐,用于采用垂直布里奇曼法制備所述碘化鉛籽晶和所述碘化鉛預鑄錠。
10.如權利要求6所述的系統,其特征在于, 所述石英安瓿包括籽晶袋、生長室、儲料腔,以及抽氣口 /掛鉤,其中,所述籽晶袋位于所述安瓿的下端,所述生長室位于所述籽晶袋的上方,所述儲料腔位于所述生長室的上方,所述抽氣口位于所述貯料腔的上方;在裝好原料后,從所述抽氣口處將安瓿的內部抽成真空并密封,并在原來的抽氣口處制作掛鉤。
全文摘要
本發明涉及材料物理與化學領域,具體涉及一種生長碘化鉛單晶體的方法及系統,能夠穩定地得到高純度、符合化學配比的碘化鉛單晶體。其中方法包括放置碘化鉛籽晶和對碘化鉛預鑄錠的熔化與結晶,將碘化鉛籽晶放置在碘化鉛預鑄錠上方并接觸,碘化鉛籽晶和碘化鉛預鑄錠中的鉛與碘的原子摩爾比為1:1.95-1:2.05;在熔化和結晶時,保持碘化鉛籽晶為固態,對碘化鉛預鑄錠進行豎直方向從上至下的依次加熱,使其從上至下依次熔化為液態碘化鉛,并在此過程中使液態碘化鉛結晶;液態碘化鉛的溫度為410-450℃,令液態碘化鉛與碘化鉛籽晶之間的結晶界面處或液態碘化鉛與已結晶的固態的碘化鉛之間的結晶界面處的溫度梯度為5-30℃/cm。
文檔編號C30B13/14GK102912418SQ20121039752
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者賀毅, 金應榮, 王蘭, 陳寶軍, 何知宇, 欒道成, 盛得雪, 張潔 申請人:西華大學