氧化锌基超快闪烁晶体的水热法生长与性能研究

摘要

ZnO是一种新型的宽带隙半导体固体材料，以其优良的光电、导电、压电、气敏、压敏等特点和宽容的制备条件成为半导体材料研究的热点，可应用于光波导器件、导电气敏传感器、压电转换器、变阻器、透明导电电极等，是第三代半导体材料。近年来随着ZnO体单晶水热法生长技术在尺寸和质量上的突破，掺杂ZnO作为超快闪烁体应用于极紫外、X射线、α-射线、γ-射线、中子及其他高能粒子的探测重新成为闪烁体研究的热点。为了改善ZnO晶体的结晶质量与光电学方面的性能，经常对ZnO晶体进行掺杂生长。掺杂镓ZnO晶体会获得良好的光电性能与结晶质量，掺杂钪ZnO晶体生长尺寸较大。
　　本文以水热法分别生长掺杂钪与镓的ZnO晶体。并且采用激光拉曼光谱仪、紫外-可见-红外光谱仪、X射线双晶摇摆曲线检测仪等现代测试技术以及常规仪器测试研究水热法生长纯ZnO、掺钪ZnO、掺镓ZnO晶体的结晶质量及晶体缺陷；采用晶面蚀像法研究晶体晶型与晶面蚀像之间的关系，检测晶体的缺陷密度。
　　得到主要结果如下：
　　1.通过测试 Sc:ZnO晶体的+c区与-c区的双晶摇摆曲线，发现+c区的 FWHM为17arcsec，-c区的为25 arcsec，结晶质量提高。另外也进一步说明+c和-c区晶体质量接近，但是-c区的结晶质量仍略低于+c区晶体。Ga：ZnO晶体-c晶面X射线双晶摇摆曲线（XRC）半高峰宽（FWHM），FWHM=17arc sec；+c晶面FWHM=11arc sec，说明水热法生长的ZnO:Ga单晶结晶质量有明显提高。
　　2.通过掺杂与未掺杂ZnO的拉曼谱峰对比发现，掺杂并未引起ZnO特征峰437cm-1改变，但峰值低于未掺杂ZnO。并观察到位于277,511,584,645cm-1的微弱异常拉曼峰，与Sc的掺入有关。说明Sc的掺入ZnO晶格结构的影响并不显著。掺镓后1158cm-1处的异常峰表明镓原子掺杂到 ZnO晶格穿过氧原子平面引起横向的一个氧原子的伸缩振动衰减。
　　3.通过紫外-可见-红外光谱仪测试ZnO晶体、Sc：ZnO晶体、Ga：ZnO晶体透过率，发现Sc：ZnO晶体透过率与ZnO晶体透过率截止波长几乎相同，略有红移，380nm到400nm之间相比于纯ZnO存在一个小的吸收肩，400-3300nm范围内的透过率也比纯ZnO略低。而Ga：ZnO晶体的透过率在可见光区最高。
　　4.Sc:ZnO晶体位错密度有所下降，大约为1.74×104/cm2，未掺杂ZnO位错密度大约为3.17×104/cm2。而Ga：ZnO晶体位错密度下降很多，仅为8.6×103/cm2（平均位错密度）。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究目的

1.2 研究内容

1.3 开展的工作

第二章 掺杂ZnO超快闪烁单晶研究现状

2.1 ZnO基体单晶闪烁体研究概述

2.2 ZnO体单晶闪烁体

第3章 ZnO晶体生长

3.1 助熔剂法

3.2 气相传输法

3.3 水热法

3.4 ZnO晶体掺杂工艺及结果

3.5 晶片制备

第4章 掺杂ZnO晶体的光谱研究

4.1 掺杂ZnO晶体X射线双晶摇摆曲线实验

4.2 掺杂ZnO晶体透过率实验

4.3 掺杂ZnO晶体激光拉曼实验

第5章 ZnO晶体腐蚀实验

5.1 腐蚀原理

5.2 ZnO晶体的腐蚀理论

5.3腐蚀实验

5.4 结果与讨论

第六章 ZnO的晶体结构

6.1 晶面平衡形态理论

6.2 ZnO晶体结构

6.3 Sc：ZnO晶体形貌

6.4 Ga：ZnO晶体形貌

第七章 结论

参考文献

个人简历

致谢