1 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽光学精密机械研究所，安徽省光子器件与材料重点实验室,合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
碲化锌(ZnTe)非线性晶体是一种常用的产生和探测太赫兹(THz)波的电光材料，在THz探测和成像等领域具有重要的应用价值。然而，目前制备高质量、大尺寸的ZnTe晶体仍然面临挑战。本文采用压力辅助的垂直布里奇曼法，成功生长出尺寸为40 mm×140 mm的完整ZnTe单晶棒，并对其晶体结构、结晶质量、光学与电学性能进行了表征和分析。针对Te夹杂相对晶体性能的影响，初步探索了ZnTe晶体的退火工艺。研究结果表明，在850 ℃、Zn气氛下退火200 h，晶体在可见-近红外波段(400~2 500 nm)的透过率达到62%，电阻率为104 Ω·cm，在0.2~2 THz的吸收系数为5~15 cm-1。测试及分析结果为实现高质量ZnTe晶体的制备提供了参考。
ZnTe晶体 晶体生长 垂直布里奇曼法 退火 太赫兹 非线性晶体 电光材料 ZnTe crystal crystal growth vertical Bridgman method annealing terahertz nonlinear crystal electro-optical material
In2Se3二维层状材料具有优异的光电、热电和铁电特性。目前In2Se3二维层状材料大部分通过对化学气相输运(CVT)法制备的块体In2Se3进行机械剥离获得, CVT法制备工艺复杂、制备时间长、成本高, 与之相比, 布里奇曼(B-S)法具有制备工艺简单、制备效率高、成本低的优势。为此, 本文对CVT法和B-S法制备的块体In2Se3分别进行了机械剥离, 并转移到SiO2/Si(111)基底, 获得了相应的二维层状In2Se3样品。同时利用原子力显微镜(AFM)、激光拉曼和X射线衍射(XRD)对两样品进行表面形貌、晶格振动谱和结晶质量的测量, 发现用B-S法制备、剥离的样品具有与CVT法制备、剥离样品几乎相同的表面原子级平整度和单晶结晶质量。本文为高质量二维层状In2Se3材料的获得提供了更为经济实用的途径。
二维层状材料 机械剥离 化学气相输运法 布里奇曼法 In2Se3 In2Se3 two-dimensional layered material mechanical exfoliation chemical vapor transport method Bridgman method
1 上海理工大学, 上海 200082
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201899
3 中国科学院高能物理研究所, 北京 100049
具有中子-伽马双模探测能力的卤化物闪烁晶体在辐射探测领域展现出广阔的应用前景。本文使用布里奇曼法生长得到高光学质量的NaI∶Tl和NaI∶Tl,Li闪烁晶体, 并系统研究了不同Li浓度掺杂NaI∶Tl晶体的光致激发和发射光谱、时间分辨光致发光曲线、X射线辐照发光光谱、伽马射线激发能谱, 以及中子-伽马甄别性能。研究表明, NaI∶Tl晶体和NaI∶Tl,Li晶体在X射线激发下的发光峰位于345和410 nm, 均来源于Tl+的sp-s2跃迁发光。随着Li浓度的增加, 晶体的光产额由41 000 photons/MeV下降到23 000 photons/MeV, 662 keV处的能量分辨率由7.0%劣化到9.6%。1%Li(原子数分数)掺杂的NaI∶Tl晶体具有最优的中子-伽马脉冲形状甄别(PSD)性能, 品质因子(FoM)值达到4.56。
闪烁晶体 布里奇曼法 sp-s2跃迁 中子-伽马甄别 NaI∶Tl,Li NaI∶Tl,Li scintillation crystal Bridgman method sp-s2 transition neutron-gamma discrimination.
1 1.上海师范大学 化学与材料科学学院, 上海 200234
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海200050
3 3.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
4 4.上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200082
近年来, 拥有高发光量子效率的低维钙钛矿/类钙钛矿结构金属卤化物在辐射探测领域展现出潜在的应用前景。本工作利用反溶剂扩散法生长了高光学质量的厘米级尺寸零维结构Cs3Cu2I5单晶, 并系统研究了其光学吸收、透过、光致激发和发射、时间分辨光致发光、X射线辐照发光、余辉、热释光以及伽马射线探测性能。溶液法制备的Cs3Cu2I5晶体的光学带隙为3.68 eV。在X射线激发下, Cs3Cu2I5单晶的蓝光发射峰位于448 nm, 来源于自陷激子发光。闪烁衰减时间主分量为947 ns (96%)。Cs3Cu2I5单晶的余辉水平与商用BGO晶体相当。此外, 该晶体作为伽马射线闪烁体也表现出29000 photons/MeV的高光产额, 与熔体法制备的Cs3Cu2I5晶体闪烁性能相当。本研究证实了低成本制备高性能Cs3Cu2I5闪烁晶体的可行性。
零维钙钛矿 闪烁体 Cs3Cu2I5单晶 反溶剂扩散法 布里奇曼法 zero-dimensional perovskites scintillators Cs3Cu2I5 single crystal anti-solvent diffusion method Bridgman method
1 上海理工大学材料与化学学院, 上海 200093
2 山东大学晶体材料国家重点实验室, 济南 250100
3 乌镇实验室, 桐乡 314500
4 上海电机学院材料学院, 上海 201306
5 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201899
6 上海交通大学材料科学与工程学院, 上海 200240
Ⅲ-Ⅵ族InSe晶体是一种非常重要的化合物半导体材料, 在高性能纳米电子器件、红外光探测、光电器件及柔性电子等领域有广泛应用。本文简要介绍了In-Se相图的发展历程, InSe具有非一致熔融特性, 可通过包晶反应从准化学剂量比或非化学剂量比溶液中析晶获得, 其中In/Se摩尔比对InSe转化率有重要影响。迄今, 垂直布里奇曼法、提拉法、水平梯度凝固法、低温液相法及气相输运法等多种技术被成功用于制备InSe晶体。为全面了解InSe晶体生长的历史和现状, 本文从工艺原理、技术要点、晶体生长结果等方面将国内外相关工作进行了梳理, 并对各种方法的优缺点进行了比较。研究分析表明: 垂直布里奇曼法因对设备要求简单, 操作简易, 现已成为制备高质量大尺寸InSe晶体的主流技术; 水平梯度凝固法则在ε型InSe晶体生长方面颇具特色, 未来可在新材料性能研究与应用探索上与垂直布里奇曼法形成一定补充。
半导体 晶体生长 垂直布里奇曼法 InSe InSe semiconductor crystal growth vertical Bridgman method 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1722
西安交通大学, 多功能材料与结构教育部重点实验室, 西安 710049
钙钛矿型(ABO3)弛豫铁电单晶具有优异的机电耦合性能, 被认为是研制下一代医疗超声换能器、高精度压电驱动器、水声换能器等机电耦合器件的核心关键材料。针对弛豫铁电单晶材料制备与物理性能方面尚存在的基础科学与工艺问题, 本文综述了近些年弛豫铁电单晶生长与性能优化方面的研究进展, 包括若干新的单晶生长方法用以改善弛豫铁电单晶的成分和性能均匀性, 提升弛豫铁电单晶压电性能的系列新方法, 通过铁电畴结构调控以获得高透光率的弛豫铁电单晶, 以及高性能弛豫铁电单晶在电光技术领域的应用等。
弛豫铁电体 单晶生长 布里奇曼法 畴工程 掺杂 性能优化 压电性能 relaxor ferroelectric single crystal growth Bridgman method domain engineering doping property optimization piezoelectric property 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1643
采用温度振荡法和改进的布里奇曼法进行了CdGeAs2多晶合成与单晶生长，生长出28 mm×65 mm完整无开裂的CdGeAs2单晶体。用金刚石外圆切割机切割出CdGeAs2晶片，采用X射线衍射(XRD)和X射线能量色散谱仪(EDS)对合成的多晶粉末和切割出的晶片进行表征。结果表明，合成产物为单相四方黄铜矿结构的CdGeAs2多晶，晶片的原子百分比接近于理想化学计量比。经傅里叶变换红外分光光度计测试发现，初生长的CdGeAs2晶体在11.3 μm处的吸收系数为0.117 cm-1，经过拟合计算得出禁带宽度为0.52 eV。通过变温(110~300 K)霍尔效应测试表明，CdGeAs2晶体在110~300 K温度范围内都为p型导电，载流子浓度pH和霍尔系数RH随温度的升高分别升高和下降，而霍尔迁移率μH几乎不变。拟合计算出晶体中受主电离能EA=0.305 eV，并进一步分析了生长晶体中可能存在的受主缺陷。
半导体晶体 CdGeAs2晶体 类籽晶技术 布里奇曼法 单晶生长 多晶合成 变温霍尔效应 红外透过谱 semiconductor crystal CdGeAs2crystal seed like technology Bridgman method single crystal growth polycrystalline synthesis temperature dependent hall measurement IR transmission spectrum
西北工业大学材料学院, 凝固技术国家重点实验室, 辐射探测材料与器件工信部重点实验室, 西安 710072
采用布里奇曼法成功制备出大尺寸(15 mm×50 mm)、高质量的全无机金属卤化物类钙钛矿Cs3Bi2I9单晶。室温下, 该晶体属于六方晶系, 空间群为P63/mmc, 密度为5.07 g/cm3, 晶胞参数为a=b=0.840 nm, c=2.107 nm, 熔点为632 ℃。采用粉末X射线衍射谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱、I-V测试等表征该晶体的性质。制备Au/Cs3Bi2I9/Au三明治型器件结构, 采用飞行时间技术测试Cs3Bi2I9晶体的载流子迁移率, 得到Cs3Bi2I9晶体的电子迁移率为4.33 cm2·V-1·s-1。根据Hecht单载流子方程拟合得到Cs3Bi2I9晶体的载流子迁移率寿命积(μτ)为8.21×10-5 cm2·V-1, 并且在500 V偏压下对α粒子的能量分辨率达到39%。
辐射探测 晶体生长 金属卤化物钙钛矿 布里奇曼法 Cs3Bi2I9 Cs3Bi2I9 radiation detection crystal growth metal halide perovskite Bridgman method
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
新型长波红外材料 PbGa6Te10 具有折射率高 (>3)、红外透光范围广 (1.4～22.3μm)、稳定性和机械性能较好等优点, 具有较大的应用潜力。 但 PbGa6Te10 为非同成分共熔体, 极易导致成分偏析, 形成杂相等。 采用振荡辅助单温区法合成了优质多晶, 由垂直布里奇曼法生长出了长度达 100 mm、最大直径为 26 mm 的 PbGa6Te10 单晶棒。对生长出的晶体进行了 X 射线粉末衍射、摇摆曲线、热重差热分析和透过率等测试。结果表明所生长出的晶体为 PbGa6Te10 单晶; 结晶性较好, 半峰 宽 (FWHM) 为 0.214°; 晶体具有良好的热稳定性; 根据漫反射吸收曲线计算得 到 PbGa6Te10 的带隙值为 1.01 eV; 透过率曲线表明在 2.5～22.3μm 波段平均透过 率约 28%。
晶体生长 长波红外材料 布里奇曼法 振荡辅助 crystal growth long-wave infrared materials PbGa6Te10 PbGa6Te10 Bridgman method oscillation-assistance
山东大学，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
大尺寸有机晶体在太赫兹波产生、中子探测、微波激射等多个关系国计民生、涉及****的领域具有重要应用前景。但大尺寸有机单晶生长一直是国际公认的难题，无论是在生长理论、生长方法还是生长设备方面都远远落后，在整个人工晶体领域相对小众；而且有机晶体硬度低、脆性高、易解理等本征特性为加工和后期应用带来了很多困难，制约了相关领域的发展。有机分子晶体的物化性质决定了其生长方法多采用溶液或气相方法，熔体生长方法在结晶质量控制方面难度更大；但针对上述应用所需的大尺寸单晶和掺杂要求，熔体生长方法相比溶液和气相方法更具优势。本文对熔体法生长大尺寸有机晶体进行分类总结，对影响生长过程和晶体质量的原料提纯、籽晶生长、安瓿设计、固液界面控制、生长及降温速度调控、加热温区等因素进行分析，结合本课题组近年来利用熔体法生长大尺寸有机晶体的实际经验，旨在为大尺寸有机晶体的生长研究提供理论基础和实践经验，突破高质量、大尺寸有机单晶生长的国际难题。
有机晶体 大尺寸 生长方法 熔体法 布里奇曼法 organic crystal large-sized growth method melt growth Bridgman method
