本發(fā)明涉及鈣鈦礦單晶，尤其涉及一種鉛基鈣鈦礦單晶及控制其生長(zhǎng)的方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、x射線探測(cè)器作為一種重要的成像技術(shù)設(shè)備，在安防安檢、無(wú)損探傷、材料分析以及醫(yī)療成像等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

2、根據(jù)工作機(jī)制劃分，x射線探測(cè)器分為間接探測(cè)和直接探測(cè)。間接x射線探測(cè)器利用閃爍體材料吸收x射線后發(fā)出可見(jiàn)光，再由光電倍增管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?；诠に?、材料以及探測(cè)原理的限制，間接x射線探測(cè)器的成像分辨率難以進(jìn)一步提高，無(wú)法滿足未來(lái)高質(zhì)量成像的發(fā)展方向。直接x射線探測(cè)器的工作原理是通過(guò)半導(dǎo)體材料直接將x射線光子轉(zhuǎn)換為載流子，即電子和空穴，在電場(chǎng)的作用下，這些電子和空穴會(huì)分別向電極的兩端移動(dòng)。由于沒(méi)有中間轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接x射線探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。常見(jiàn)的直接探測(cè)半導(dǎo)體有非晶硒（α-se），碲化鎘（cdte）和碲鋅鎘（cdznte）。x射線衰減系數(shù)α與材料原子序數(shù)z和x射線光子能量e之間存在著特定的關(guān)系（α∝z4/e3），由于非晶硒的原子序數(shù)較小，對(duì)x射線的阻擋能力較弱，使其難以應(yīng)用于能量大于50?kev的x射線探測(cè)領(lǐng)域，無(wú)法發(fā)揮直接型探測(cè)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)?；赾dte和cdznte半導(dǎo)體的直接x射線探測(cè)器因其出色的能量分辨率，在成像領(lǐng)域備受矚目，但大尺寸、高質(zhì)量單晶的cdte和cdznte的生長(zhǎng)成本高且很難大面積制備，且由于材料自身的原因，制得的x射線探測(cè)器噪聲電流較大，難以在x射線成像領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

3、近年來(lái)，鈣鈦礦材料因其高的x射線衰減系數(shù)、大的載流子遷移壽命積（μτ）以及可低成本制備等特點(diǎn)，成為下一代高靈敏度、高空間分辨x射線成像技術(shù)的理想選擇。與多晶薄膜相比，鈣鈦礦單晶由于沒(méi)有晶界和降低缺陷密度，具有更高的μτ，并且由于其更厚而更有效地吸收高能x射線光子，提高了基于單晶的x射線探測(cè)器靈敏度。然而，鈣鈦礦單晶x射線探測(cè)器的研究仍然面臨著單晶生長(zhǎng)周期長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期不僅增加了生產(chǎn)成本和時(shí)間投入，而且環(huán)境條件的微小變化或原料的不穩(wěn)定性都可能對(duì)最終晶體的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。晶體在快速生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部出現(xiàn)宏觀的位錯(cuò)以及擴(kuò)散的裂紋，這會(huì)嚴(yán)重降低器件光電性能。為了緩解單晶生長(zhǎng)周期長(zhǎng)問(wèn)題，需要不斷探索新的生長(zhǎng)方法和工藝優(yōu)化策略，以提高單晶的生長(zhǎng)效率和質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，本發(fā)明的目的是提供一種鉛基鈣鈦礦單晶及控制其生長(zhǎng)的方法和應(yīng)用，本發(fā)明在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)成核動(dòng)力學(xué)，維持生長(zhǎng)溶液的穩(wěn)定性，可以在較短的生長(zhǎng)周期內(nèi)獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明先提供一種控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其其包括以下步驟如：將溴乙酸（baa）溶于二甲基亞砜（dmso）中，加熱攪拌混合得到混合液；向氯化鉛、甲胺溴與溴化鉛的混合物中加入所述混合液、溶劑，攪拌反應(yīng)，得到前驅(qū)體溶液；將所述前驅(qū)體溶液過(guò)濾，加熱，即得鈣鈦礦單晶。

4、在有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦（oihps）的前驅(qū)體溶液中，像二甲基亞砜（dmso）以及n,n-二甲基甲酰胺(dmf)這類(lèi)常用溶劑，在室溫環(huán)境下，在溶液里會(huì)通過(guò)氧原子與鉛（pb）結(jié)合，形成pb-溶劑配合物；當(dāng)溫度升高，這些配合物就會(huì)解離；而這種解離，會(huì)讓oihps晶體快速形成大量晶核，然而，大量晶核的形成會(huì)使前驅(qū)體物質(zhì)（溶質(zhì)）分散到更多的晶核上，每個(gè)晶核獲得的前驅(qū)體物質(zhì)較少，從而限制了晶體的生長(zhǎng)速度和尺寸。本發(fā)明為了解決這一問(wèn)題，先讓baa和dmso相互反應(yīng)，生成帶有負(fù)電醛基（-cho）的乙醛酸（gla），而gla能與鹵化鉛發(fā)生配位作用，這種強(qiáng)配位作用在高溫下不易解離，因此可以維持生長(zhǎng)溶液的穩(wěn)定性，從而精準(zhǔn)調(diào)控晶體的結(jié)晶過(guò)程，讓晶體按照特定方向生長(zhǎng)，當(dāng)晶核形成的速度被控制住時(shí)，溶液中的前驅(qū)體物質(zhì)濃度可以保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，減少雜質(zhì)和缺陷的產(chǎn)生；且由于最初形成的晶核較少，前驅(qū)體物質(zhì)可以更集中地分布在少量的晶核上，從而促進(jìn)這些晶核生長(zhǎng)成更大、更均勻的晶體，從而可以在較短的生長(zhǎng)周期內(nèi)獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶，緩解了單晶的生長(zhǎng)效率與晶體質(zhì)量之間的矛盾。

5、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述鈣鈦礦單晶的化學(xué)式為mapb(br1-xclx)3，0≤x≤0.05。

6、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述加熱攪拌是在50-70℃下攪拌12-36h。加熱可以提高分子的熱運(yùn)動(dòng)速度，使溴乙酸分子在二甲基亞砜中擴(kuò)散得更快，另外加熱可以提供反應(yīng)所需的活化能，使反應(yīng)能夠更容易地發(fā)生，加快反應(yīng)速率，主要是為了形成乙醛酸(gla)。

7、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述前驅(qū)體溶液的濃度為1-1.5mol/l。

8、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述攪拌反應(yīng)是在室溫下攪拌反應(yīng)12-36h。

9、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溶劑為n,n-二甲基甲酰胺。

10、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述過(guò)濾是利用ptfe膜進(jìn)行過(guò)濾，所述加熱是在熱臺(tái)上通過(guò)油浴加熱使溶液溫度從80℃逐漸升溫至85℃，整個(gè)加熱升溫過(guò)程控制在3-4h。

11、本發(fā)明還提供一種鉛基鈣鈦礦單晶，其采用如前所述的方法生長(zhǎng)得到的。

12、本發(fā)明還提供一種如前所述的鉛基鈣鈦礦單晶在x射線探測(cè)器中的應(yīng)用。

13、作為本發(fā)明上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述x射線探測(cè)器包括所述鉛基鈣鈦礦單晶以及沉積在所述鉛基鈣鈦礦單晶一側(cè)或兩側(cè)表面的導(dǎo)電層。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

15、1.本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)成核動(dòng)力學(xué)，利用溴乙酸與二甲基亞砜反應(yīng)生成的乙醛酸，利用乙醛酸中的-cho基團(tuán)與鹵化鉛發(fā)生配位作用，這種強(qiáng)配位作用在高溫下不易解離，有助于維持生長(zhǎng)溶液的穩(wěn)定性，使晶體生長(zhǎng)速度更加可控和高質(zhì)量，讓晶體按照特定方向生長(zhǎng)，使晶體排列成更有序的晶格結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)晶度，此外，由于生長(zhǎng)溶液更穩(wěn)定，晶體在更一致的條件下生長(zhǎng)，促進(jìn)了更大、更均勻的單晶的生長(zhǎng)，從而可以在較短的生長(zhǎng)周期內(nèi)獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶，本發(fā)明最終獲得了生長(zhǎng)周期為3-4小時(shí)的高質(zhì)量的鉛基鈣鈦礦單晶。

16、2.利用本發(fā)明制備的鉛基鈣鈦礦單晶mapb(br1-xclx)3制備得到的x射線探測(cè)器，具有出色的性能，靈敏度高達(dá)20460μc?gyair-1cm-2，本發(fā)明利用抑制成核策略緩解單晶的生長(zhǎng)效率與晶體質(zhì)量之間的矛盾，在不犧牲探測(cè)器靈敏度的前提下，可以有效縮短晶體生長(zhǎng)周期，制得的x射線探測(cè)器在x射線成像領(lǐng)域能夠廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，其包括以下步驟：將溴乙酸溶于二甲基亞砜中，加熱攪拌混合得到混合液；向氯化鉛、甲胺溴與溴化鉛的混合物中加入所述混合液、溶劑，攪拌反應(yīng)，得到前驅(qū)體溶液；將所述前驅(qū)體溶液過(guò)濾，加熱，即得鈣鈦礦單晶。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述鈣鈦礦單晶的化學(xué)式為mapb(br1-xclx)3，0≤x≤0.05。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述溴乙酸與二甲基亞砜的質(zhì)量體積比為0.001-0.002g：1ml；所述加熱攪拌是在50-70℃下攪拌12-36h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述前驅(qū)體溶液的濃度為1-1.5mol/l。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述攪拌反應(yīng)是在室溫下攪拌反應(yīng)12-36h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述溶劑為n,n-二甲基甲酰胺。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法，其特征在于，所述過(guò)濾是利用ptfe膜進(jìn)行過(guò)濾，所述加熱是在熱臺(tái)上通過(guò)油浴加熱使溶液溫度從80℃逐漸升溫至85℃，整個(gè)加熱升溫過(guò)程控制在3-4h。

8.一種鉛基鈣鈦礦單晶，其特征在于，其采用如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法生長(zhǎng)得到的。

9.一種如權(quán)利要求8所述的鉛基鈣鈦礦單晶在x射線探測(cè)器中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述x射線探測(cè)器包括所述鉛基鈣鈦礦單晶以及沉積在所述鉛基鈣鈦礦單晶一側(cè)或兩側(cè)表面的導(dǎo)電層。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種鉛基鈣鈦礦單晶及控制其生長(zhǎng)的方法和應(yīng)用，所述控制鉛基鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)的方法包括以下步驟：將溴乙酸溶于二甲基亞砜中，加熱攪拌混合得到混合液；向氯化鉛、甲胺溴與溴化鉛的混合物中加入所述混合液、溶劑，攪拌反應(yīng)，得到前驅(qū)體溶液；將所述前驅(qū)體溶液過(guò)濾，加熱，即得鈣鈦礦單晶。本發(fā)明在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)成核動(dòng)力學(xué)，維持生長(zhǎng)溶液的穩(wěn)定性，在較短的生長(zhǎng)周期內(nèi)可以獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶，利用抑制成核策略緩解單晶的生長(zhǎng)效率與晶體質(zhì)量之間的矛盾，在不犧牲探測(cè)器靈敏度的前提下，可以有效縮短晶體生長(zhǎng)周期。

技術(shù)研發(fā)人員：胡芹,胡明珠,黃利娟,陳元淦,郝翌然,劉天宇,任超宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15