材料(CZT)研究方法

1、CZT性能表征方法摘要：本文介绍的是x取值范围在0.10.2的Cd1-xZnxTe（CZT），组成含量在此范围的CZT材料被用于制造核辐射探测器。本文将重点介绍用XRD、近红外透射、红外显微镜、红外透射显微镜、光致发光等方法对CZT结构性能表征。关键词：CZT 光致发光Abstract:We present a review of the material properties of cadmium zinc telluride with zinc content x = 0.10.2，which is used as nuclear radiationdetector.We talk som

2、ething about how to use XRD ,NIT, IR and PL to present the performance of CZT.Key words: CZT PL1.晶格结构碲化镉和碲化锌拥有硫化锌或者闪锌矿的立方结构。这种结构有时被描述为一对互相贯穿相、互替换晶格的面心立方结构，从各自的单位晶胞对角线的四分之一处移出原子，然后以镉或锌原子占据一个替代晶格，碲原子占据另一个。所以，可以将CZT合金理想化的当成是有x份镉原子被锌原子随机替换掉的碲化镉晶体。测晶格常数A和锌含量由于碲化镉和碲化锌晶格常数不同，导致CZT在晶格常数上也有一定的不确定性，通常我们利用直线近似

3、，通过“Vegard定理”的理论可知，晶格常数同合金组成有以下简单近似关系：a(x)=a1(1-x)+a2x （1）其中a1和a2分别为碲化镉和碲化锌的晶格常数。如果利用布拉格定律，平均晶格常数可以用X射线衍射的布拉格定理来定义：n=2d sin() （2） 其中为入射光波的波长，d为晶面距，为入射角度，n为任意正整数。晶面距，d取决于X射线与晶格的位向关系，但又直接对应于晶格常数a。因此，合金的成分可以通过衍射峰的位置来确定。图1【1】展示的是x等于0.1的CZT粉末的X衍射图。选取（220）峰，通过面间距公式可得d= 122 a （3）对于此峰来说，n=2，由公式（2）可知a=2sin()

4、 （4）图1 . x等于0.1的CZT粉末的X衍射图由此峰位置2=39.9°，代入公式（4）后，将得到的a(x)带入公式(1)，可得出Zn含量的合理近似值，x=0.16【2】。要想获得较为精确的CZT中的Zn含量值，要用到其他的方法。利用高分辨的三维X射线衍射可得到更加精确的晶格常数值，但是这种技术要求确定方位的单晶来获得高效的信号来确定张力和压力的不同影响【3】。1.2. 近红外透射光谱近红外光谱仪（Near Infrared，NIR）是介于可见光（Vis）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光

5、谱中发现的第一个非可见光区。近红外光具有分析速度快，对样品无化学污染，测量精度高、分析成本低等优点。图2【4】为几种CZT样品的近红外透射光谱。 图2.几种CZT样品的近红外透射光谱几种样品前身都为Cd充足条件下用垂直布里吉曼法生产的CZT单晶，之后沿着（111）晶面进行切片，后经抛光后在真空度为10-5pa的高纯Te气氛下，在773K温度下分别退火0、60、120、240小时，然后将得到的试样进行近红外透射，记录下近红外射线透过率，得到上图。根据透过率公式；【5】 (5)其中T为透过率，R为反射率，为吸收系数， d为样品厚度。又因为 【6】 (6) 其中n为折射率，n与x呈线性关系： n(x

6、)=(nZnTenCdTe)x+nCdTe 【7】 (7) 如果x=0.04，则n2.67【8】。又因为 【9】 (8) 其中Tmax为透过率T的理论最大值，为64%。如果以=10cm-1，则对应的波长为=10cm-1【9】，通过将式子(5)(6)(7)(8)整合，可得 x=289.360.33804 【10】 (9)最后得出结果如表1【4】：通过以上两种方法都可测得CZT的晶格结构。2.缺陷CZT的缺陷对其性能具有重要影响，我们有很多的方法对CZT的各种缺陷进行表征。2.1. 红外显微图片本处所用样品同图2近红外透射所用样品一样。通过红外显微图像，我们可以观察到其中的一些夹杂物或者析出相的分

7、布与数量，如图3【4】。我们可以很清楚的观察到，a图为未退火的图，其上有较多的星状黑点，为Te的夹杂物或者析出物，而在退火60小时后，夹杂物数量明显下降；在退火120h后，夹杂物消失，可以看到图像变的较为平整，而在退火240h的图像中也看不到黑色星状的夹杂物，并且图像非常平整。这说明，退火可以消除晶体内部的一些缺陷，退火时间越长，效果越好。2.2.红外透射光谱图红外透过率可以表征CZT单晶的均匀性。CZT红外透过率主要受吸收率的影响 ，CZT晶体对红外光的吸收包括晶格吸收，自由载流子吸收，杂质吸收，以及Te沉淀/夹杂吸收【11】。/晶格吸收靠晶格或分子振动时原子的位移所引起的电偶矩的变化而产生

8、的，吸收较小，对于理想晶体可忽略【12】；但是成分分布的不均匀和位错的存在,CZT晶体的晶格常数会发生变化，晶格的一致性和周期性被破坏，这将改变它周围的电子结构，从而引起电偶矩的变化,晶体对红外光的晶格吸收增大【13】。 自由载流子吸收系数为【12】，其中N为载流子数量，q为电荷，n为折射率，v是散射频率 。杂质作为施主或受主会在晶体中形成一系列杂质能级，将电子或空穴激发到高能态。Te沉淀/夹杂尺寸大于5微米时,它对红外光有明显的散射作用,会降低晶片的红外透过率，而当Te沉淀/夹杂小于5微米时,它对红外透过率的影响不明显【14】。对退火和不退火的试样进行红外透过率测试，得图4。 由图可知，退火

9、后的平均透过率分别为：50% (60 h)， 59% (120 h)， 以及63% (240 h)。图像中，未退火的样品，在波长大于5m时透过率T迅速降低，主要是Te析出相或夹杂物的作用；退火后的样品，由于夹杂物和析出相数量急剧减少，缺陷密度较低，T比较稳定，几乎为直线；退火时间越长，晶体内部的缺陷密度越低，自由载流子密度越低，自由载流子吸收系数越低，T越大，在退火240h后基本达到理论值64%，说明此时的晶体质量接近于理想状态，由此可知，退火可提高晶体质量，减小缺陷密度。3.能级及缺陷状态本部分采用低温光致发光和室温光致发光技术。光致发光目前己发展成为研究和测定半导体杂质能级以及缺陷状态的重

10、要而强有力的工具，成为半导体材料特性测定的一种标准技术。光致发光光谱对样品制备要求不高，测量设备相对来说不复杂，灵敏度高，非接触而且不会破坏样品"适合用来表征点缺陷，如替位杂质(施主、受主)以及本征缺陷。光致发光的发射谱提供了量化分析晶格缺陷，包括空位、间隙以及杂质原子等的重要手段。同时，也可以间接测量少数载流子浓度和缺陷浓度，对器件性能作出预测【15、16】。3.1低温光致发光光谱图5. x0.1的CZT在4.2K时的光致发光谱图5为CZT典型的低温光致发光光谱图【17】，主要包括以下区域：.近能带边缘区域：存在自由激子和束缚激子峰。. 施主受主复合区：存在一个施主受主复合峰及其两

11、个声子峰。激子冷光的声子复制也发生于此区域。. 受主中心缺陷带，受主是由同施主混合在一起的镉空穴形成的。. 同Cd空穴相关的能带。、同为杂质缺陷相关区域。图6为CZT不同辐射的跃迁能级图【18】 。 图6 . CZT不同辐射的跃迁能级图通过低温光致发光，我们可以量化的分析晶格缺陷，包括空位、间隙以及杂质原子，进而利用不同缺陷的不同作用，达到取得材料最佳性能的目的。3.2室温PL等效温度分布室温PL等效温度分布是在室温下，在大范围内对材料进行毫米尺度上和的逐点PL测量，对测得的PL谱线进行拟合，得到测量点的禁带宽度Eg、等效温度Te等参数，禁带宽度(Eg)。禁带宽度(Eg)等参数的分布对应于CZ

12、T 中Zn的组分分布；等效温度(Te)决定着发光谱的线宽并且直接反映了发光过程中的晶格和缺陷的作用，不同的缺陷点表现出不同的发光特性, 意味着各自起源的不同。大面积PL扫描的统计结果和平面分布给出样品特性的整体评价。图7给出了抛光前CZT材料室温PL等效温度分布图【19】。 图7.抛光前CZT的室温PL等效温度分布图图7给出了等效温度平面分布, 直观地给出了发光温度的变化以及相应的发光点的位置. 对平面分布图中特殊缺陷位置(各图中用白色箭头标出)的观察能更进一步了解这些缺陷的性质。两个缺陷点的发光温度分别为184. 2K和165. 1K，为最低点，低的发光温度说明这两点在准平衡条件下光生载流子

13、中高能分布部分相对于低能分布的载流子被无辐射复合中心俘获的几率差别最大【20】。4.结论我们用不同的方法来表征同一种东西，因此，我们可以利用的材料分析方法很多，只有综合各种方法的长处，利用其各自的特点，才能达到我们对于表征材料性能进行准确表征的目的。参考文献【1】 T.E. Schlesinger et al. / Materials Science and Engineering 32 (2001) 108【2】 T.E. Schlesinger et al. / Materials Science and Engineering 32 (2001)109【3】 S. Perkowitz,

14、L.S. Kim, Z.C. Feng, P. Becla, Phys. Rev. B 42 (1990) 1455.【4】P. Yu et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 643 (2011) 54.【5】 S. Sen, D.R. Rhiger, C.R. Curtis, M.H. Kalisher, H.L. Hettich, M.C. Currie,J. Electron. Mater. 30 (2001) 611.【6】高德友. 磅锌福单晶体的生长及其性能测定 .四川大学硕士论文 ，2003年【7

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