缺陷閃鋅礦晶體Hg3In2Te6缺陷的表征與分析.pdf

1、碲銦汞（Hg3In2Te6，MIT）具有優(yōu)異的光電性能和強(qiáng)的抗輻射性，是一種有前途的短波紅外探測(cè)器材料，尤其是在光纖通訊領(lǐng)域和輻射環(huán)境下。由于生長(zhǎng)和加工工藝的影響，MIT晶體中往往存在多種結(jié)構(gòu)缺陷，比如，空位或間隙原子、位錯(cuò)、孿晶界和沉淀相，從而直接或間接地影響 MIT的材料參數(shù)與器件性能。要想通過(guò)減少甚至去除有害缺陷，制備出高質(zhì)量的MIT晶體及優(yōu)異的器件，首先要對(duì)MIT缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確地表征和分析，如缺陷的種類(lèi)、數(shù)目和產(chǎn)生機(jī)制等。因此，本

2、論文對(duì)MIT的各種缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)地表征與分析，確定了主要的缺陷，獲得了它們的特征信息，并探討了其形成機(jī)制。
　　采用高分辨透射電子顯微術(shù)（HRTEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）發(fā)現(xiàn) MIT晶錠中存在著至少兩種新的結(jié)構(gòu)空位有序相，它們對(duì)應(yīng)的超點(diǎn)陣斑點(diǎn)分別為1/3{422}和1/6{422}。粉末X射線(xiàn)衍射（XRD）圖譜表明結(jié)構(gòu)空位有序相的體積分?jǐn)?shù)低于5％。少量結(jié)構(gòu)空位有序相的存在表明無(wú)序-有序相變沒(méi)有完全被避免，其原因是MIT無(wú)序相

3、的熱導(dǎo)率低和爐冷的實(shí)際降溫速度不夠快。有序相1的空間點(diǎn)群為P3m1(no.156)，晶格常數(shù)a1=b1=2a/2，c1=23a，α=β=90°，γ=120°，結(jié)構(gòu)空位完全有序。有序相2的空間點(diǎn)群為P3m1(no.156)，晶格常數(shù)a2=b2=2a，c2=3a，α=β=90°，γ=120°，結(jié)構(gòu)空位部分有序，有序度為0.5。相變時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)空位的聚集，首先形成有序相2，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛳?并繼續(xù)長(zhǎng)大，最后有序相1中的空位片坍塌。
　　

4、采用HRTEM和SAED發(fā)現(xiàn)MIT晶錠中HgIn2Te4沉淀相和Hg5In2Te8沉淀相共存，表明分解反應(yīng)2Hg3In2Te6= Hg5In2Te8+ HgIn2Te4確實(shí)存在。粉末XRD圖譜說(shuō)明它們的體積分?jǐn)?shù)小于5%，從而只有少量的MIT基體發(fā)生了分解。采用TEM暗場(chǎng)像和HRTEM發(fā)現(xiàn) HgIn2Te4沉淀相為桿狀，并具有三種變體。通過(guò)模擬 SAED花樣并與實(shí)際花樣相對(duì)比，顯示這三種變體的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向沿MIT基體的<001>晶向族。H

5、RTEM結(jié)果表明HgIn2Te4沉淀相與 Hg3In2Te6基體的界面完全共格，不存在界面位錯(cuò)。采用電子輻射實(shí)驗(yàn)表明上述分解反應(yīng)在熱力學(xué)上是自發(fā)進(jìn)行的，并通過(guò)高溫XRD實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了反應(yīng)的存在。
　　采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）發(fā)現(xiàn)MIT（111）面單晶的位錯(cuò)蝕坑形貌主要為線(xiàn)形、棗形和梭形，后兩者的溝槽在（111）表面的投影即黑線(xiàn)互成120°夾角。利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)測(cè)出黑線(xiàn)的取向分別為[112]、[1

6、21]和[211]。上述三種蝕坑的形成是因?yàn)樵诟邷叵?，晶體中的螺位錯(cuò)遇到了結(jié)構(gòu)空位及其衍生缺陷的阻礙，發(fā)生雙交滑移，這也使得MIT的位錯(cuò)蝕坑形貌異于HgCdTe和HgMnTe等HgTe基閃鋅礦晶體。EDS成分測(cè)試表明，位錯(cuò)畸變處In比Hg更容易被腐蝕，意味著In-Te鍵變得比Hg-Te鍵弱。腐蝕時(shí)晶片的晃動(dòng)、拋光液的種類(lèi)和腐蝕液的配比都對(duì)MIT的腐蝕形貌沒(méi)有太大的影響。采用HRTEM發(fā)現(xiàn)MIT晶體中存在大量的1/6[121]位錯(cuò)，且分布

7、不均勻。
　　采用EBSD和單截面跡線(xiàn)分析法發(fā)現(xiàn)MIT存在三種孿晶。第一種孿晶具有一對(duì)平行且鄰近共格的孿晶界，第二種孿晶具有一對(duì)平行且非共格的孿晶界，而第三種孿晶沒(méi)有平行的孿晶界。第二種和第三種比第一種常見(jiàn)，這表明 MIT中的大多數(shù)孿晶界為非共格孿晶界。孿晶尺寸小，而且沒(méi)有多個(gè)孿晶平行排列的現(xiàn)象。分析表明 MIT中的孿晶是變形孿晶。MIT中彎曲的孿晶界由長(zhǎng)且直的共格孿晶界、短且直的臺(tái)階以及一些彎曲的過(guò)渡段組成。高密度結(jié)構(gòu)空位的存在

8、導(dǎo)致 MIT中存在著高密度的結(jié)構(gòu)空位團(tuán)簇、弗蘭克爾不全位錯(cuò)和有序相沉淀。這些缺陷可以阻礙孿生位錯(cuò)的滑移，影響孿晶界的共格和形狀。孿晶遇到的上述缺陷越多，就越偏離平行而共格的形貌。HRTEM和EBSD分析表明，結(jié)構(gòu)空位的存在并未改變孿生面和孿生方向。EBSD的花樣質(zhì)量分析指出，大多數(shù)孿晶的應(yīng)變大于對(duì)應(yīng)的基體。
　　采用Rietveld精修，計(jì)算出MIT晶錠中部晶片的Hg空位濃度最低，為9.1×1019 cm-3，而尾部最高。采用EB