[发明专利]一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶及其制备方法，其化学式为CH₃NH₃PbCl₃，在晶体制备过程中引入高质量籽晶，通过籽晶并在制备中采用逆温差结晶法制备CH₃NH₃PbCl₃单晶，该方法工艺简单，晶体生长温度较低，过程可控，晶体质量高，单晶尺寸可达厘米级，且单晶具有高度的择优取向，具有良好的光电性能、大的禁带宽度、好的耐辐照特性，可以更好满足辐射探测器的应用要求，在强辐射场环境使用更具有优势。

技术领域

本发明属于半导体材料和晶体技术领域，涉及一种钙钛矿单晶及其制备方法，具体涉及一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶及其制备方法。

背景技术

甲胺基金属卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbX₃(X＝Cl、Br、I)作为一种新型的直接带隙半导体材料，具有原子缺陷容忍度高、光吸收系数大、载流子扩散长度长、带隙可调等卓越的光电特性，可广泛应用于太阳能电池、发光二极管(LED)、探测器、激光器、场效应晶体管等领域。辐射探测应用中最常用的两类钙钛矿材料是多晶薄膜和单晶。与多晶薄膜材料相比，单晶材料结构排列紧密、无晶界，使其具有较低的陷阱密度、较低的本征载流子浓度、更高的载流子迁移率和更好的材料稳定性，这些优势对于需要低暗反向电流和高电流开/关比的半导体辐射探测器等应用至关重要。特别是，单晶材料密度更高，对射线阻止能力更强，器件能量分辨率更高。由于晶体尺寸和结晶质量是探测器能量分辨率、探测效率的决定性因素，制备成本是实现应用和商业化的重要经济指标，因此突破大尺寸、高质量、低成本钙钛矿单晶生长技术，是新型半导体辐射探测器开发和应用的重要方向之一。

室温下，高效率辐射探测器对探测材料要求如下：第一，具有高的平均原子序数，以保证其良好的射线阻挡能力；第二，需要高的电阻率和载流子迁移率寿命乘积，以保证探测器具有较高的电荷收集效率；第三，材料具有低的缺陷密度，减少电荷的俘获/复合，以保证探测器响应的均匀性和稳定性。这其中，高纯锗材料由于其低帯隙，需要在液氮冷却的低温环境下工作；II-VI族化合物半导体材料(CdZnTe等)可以很好地工作于室温环境，但高成本和电荷载流子陷阱等问题限制了其大规模工业化生产。相比而言，大尺寸高质量甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶材料可以在相对较低温度下(100℃)通过溶液法制备，其成本较低、制备方法简单，通过改进可获得高的光电性能和探测性能。并且，该类材料禁带宽度大，耐辐照特性好，在强辐射场环境使用更具优势。

发明内容

本发明旨在提供一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶，该单晶材料的化学式为CH₃NH₃PbCl₃，晶体结构属于立方晶系，具有高度的择优取向，具有大尺寸、高质量、低成本的特点，具有优异的光电性能和良好的辐射硬度，是一种潜在的应用于室温辐射探测领域的单晶材料。

本发明还提供了一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶的制备方法，在晶体生长过程中引入高质量籽晶，通过籽晶并在生长中采用逆温差结晶法制备CH₃NH₃PbCl₃单晶，该工艺过程简单，晶体生长温度较低，过程可控，晶体质量高，单晶尺寸可达厘米级，且单晶具有高度择优取向性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶，其特征在于，该材料化学式为CH₃NH₃PbCl₃，室温下晶体结构属于立方晶系，空间群为晶格常数为单晶尺寸达厘米级。

本发明还提供了一种具有择优取向的大尺寸高质量辐射探测器用甲胺基金属卤化物钙钛矿单晶的制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：