Анотація до роботи:

Рибалка І.А. Вплив дефектів структури на електрофізичні та сцинтиляційні характеристики кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. – Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2008.

Дисертація присвячена вивченню умов формування структурних дефектів, їх типу та концентрації, а також виявленню взаємозв’язку процесів дефектоутворення з електрофізичними, сцинтиляційними та механічними властивостями кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe і CdTe-ZnTe. В роботі проведено комплексне дослідження структурних, механічних, оптичних, електричних та сцинтиляційних характеристик кристалів ZnSе_1-xTe_x і Cd_1-xZn_xTe.

Вивчено умови хімічної взаємодії розплавів сполук ZnSe, CdТе та ZnTe з конструкційними матеріалами й газовим середовищем в ході вирощування кристалів методом Бриджмена та встановлено оптимальні умови, при яких ступінь забруднення кристалів мінімальний. Визначено вплив хімічної чистоти вихідної сировини, умов вирощування та структурної досконалості кристалів Cd_1-xZn_xTe на оптичні й електрофізичні параметри виготовлених з них детекторів рентген- та гамма-радіації. Визначено оптимальний діапазон концентрацій легуючої домішки телуру в кристалах ZnSe та режими термічної обробки, які забезпечують отримання сцинтиляторів з високим рівнем структурної досконалості, задовільною механічною міцністю та заданими сцинтиляційними параметрами.

В результаті досліджень виявлено взаємозв’язок умов формування різних типів структурних дефектів при отриманні кристалів твердих розчинів ZnSe-ZnTe й CdTe-ZnTe з їх електрофізичними та сцинтиляційними властивостями. Проведено комплексне дослідження структурних, механічних, оптичних, електричних і сцинтиляційних характеристик кристалів ZnSе_1-xTe_x й Cd_1-xZn_xTe при введенні ізовалентних елементів (Те і Zn) у вигляді сполуки ZnTe. Отримано наступні наукові та практичні результати:

1. Вивчено взаємодію розплавів сполук ZnSe, CdТе й ZnTe з конструкційними матеріалами та газовим середовищем в ході вирощування кристалів методом Бриджмена і встановлено основні шляхи забруднення шихти та кристалів, а також визначено оптимальні умови, при яких ступінь забруднення кристалів мінімальний. Термодинамічні розрахунки показали, що в системах ZnSe-ZnTe-Se-H₂-C та CdTe-ZnTe-О₂-Н₂-С, в умовах вирощування кристалів, найбільш імовірним є утворення сполук оксиселеніду та оксителуриду вуглецю, відповідно.

2. Визначено особливості формування структури кристалів ZnSе_1-xTe_x в залежності від концентрації телуру. Встановлено, що введення в ZnSe легуючої до-мішки телуру в діапазоні концентрацій 0,3...0,6 мас.% сприяє повному завершенню фазового переходу WS в ході вирощування кристалу з розплаву. Вперше експе-риментальним шляхом в кристалах ZnSe_1-xTe_x виявлено тетрагональне викривлення ґратки сфалериту та визначено величину зміщення атома Zn з центру тетраедра, яка відповідає деформації ґратки на 0,5 % при концентрації телуру близько 0,6 мас.%.

3. Виявлено основні тенденції зміни електрофізичних властивостей і сцинтиляційних параметрів кристалів ZnSе_1-xTe_x залежно від вмісту телуру. Встановлено, що діапазон концентрацій телуру 0,3...0,6 мас.% відповідає області максимального значення світлового виходу, що свідчить про кореляційний зв’язок ступеня структурної досконалості та сцинтиляційної інтенсивності в цих кристалах.

4. Визначено взаємозв’язок структурних дефектів, що виникають за рахунок введення ізовалентної домішки телуру в кристали ZnSе, з їх механічною міцністю. Встановлено, що при зростанні вмісту телуру в кристалах твердих розчинів ZnSе_1-xTe_x з 0,2 до 1,0 мас.% величина мікротвердості збільшується на 23 %, а границя міцності – на 20 %.

5. Визначено оптимальний режим термічної обробки кристалів ZnSe, що, за умови легування домішкою телуру в діапазоні 0,3…0,6 мас.%, забезпечує отримання сцинтиляторів з високим рівнем структурної досконалості (сфалерит без дефектів упаковки), підвищеною границею міцності (з 7,6 до 9,6 МПа) і світловим виходом поліпшеним до 110-120 % відносно CsI(Tl). Цей режим впроваджено у дослідне виробництво сцинтиляційних кристалів ZnSе_1-xTe_x, що відповідають рівню кращих світових зразків.

6. Визначено умови приготування шихти (синтез компонентів у запаяних кварцових ампулах) і вирощування кристалів Cd_1-xZn_xTe (ріст у контейнері із графітового матеріалу з коефіцієнтом термічного розширення меншим, ніж у кристала), що забезпечили їх отримання з високим рівнем структурної досконалості (густина дислокацій 210² см^-2), оптичним пропусканням на рівні 60 % і питомим електроопором ~ 110¹⁰ Омсм. Це дало можливість, при невисокій якості вихідної сировини, отримати напівпровідникові детектори спектрометричної якості: значення енергетичного розділення для ²⁴¹Am (Е = 59,5 keВ) становило 18,2 %, для ¹³⁷Cs (Е = 662 keВ) – 4,7 %.

7. Встановлено кореляцію між дефектністю кристалічної структури й величиною питомого електричного опору кристалів Cd_1-xZn_xTe. На основі даних про збільшення питомого опору Cd_1-xZn_xTe при зменшенні густини дислокацій вста-новлено, що лінійні дефекти структури в цих кристалах є електрично активними.

Основні публікації за темою дисертаційної роботи

1. Influence of the growth parameters and subsequent annealing upon structural perfectness, optical and mechanical properties of ZnSe_1-xTe_x crystals / L.V.Atroshchenko, S.N.Galkin, L.P.Gal’chinetskii, I.A.Rybalka, V.D.Ryzhikov, V.I.Silin, N.G.Starzhinskiy // Functional Materials. – 2001. – Vol. 8, № 3. – P. 455-461.

2. Interaction of Cd(Zn)Te components with carbon, oxygen and hydrogen at crystal growing by Bridgman method / L.V.Atroschenko, S.N.Galkin, L.P.Gal’chinetskii, I.A.Rybalka, V.D.Ryzhikov, E.F.Voronkin, A.I.Lalajants // Functional Materials. – 2002. – Vol. 9, № 3. – P. 442-446.

3. Термодинамические параметры взаимодействия в системе CdТе-ZnTe-О₂-С при выращивании кристаллов Cd_1-хZn_хTe из расплава / Л.В.Атрощенко, С.Н.Галкин, Л.П.Гальчинецкий, И.А.Рыбалка, В.Д.Рыжиков // Неорганические материалы. – 2003. – Т. 39, № 3. – С. 293-297.

4. Диэлектрические свойства кристаллов ZnSe, легированных теллуром / Л.В.Атрощенко, С.Н.Галкин, С.В.Олейник, И.А.Рыбалка, В.Д.Рыжиков, О.Н.Чугай // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2003. – Т. 39, № 4. – С. 140-143.

5. Получение и исследование структуры и электрофизических свойств кристаллов Cd_1-xZn_xTe / Л.В.Атрощенко, Е.Ф.Воронкин, С.Н.Галкин, Л.П.Гальчинецкий, А.И.Лалаянц, И.А.Рыбалка, В.Д.Рыжиков, В.И.Силин, Н.Г.Старжинский // Нові технології. – 2004. – № 1-2. – С. 73-75.

6. Влияние примеси теллура на кристаллическую структуру ZnSe / Л.В.Атрощенко, Е.Ф.Воронкин, С.Н.Галкин, А.И.Лалаянц, И.А.Рыбалка, В.Д.Рыжиков, А.Г.Федоров // Неорганические материалы. – 2004. – Т. 40, № 6. – С.656-659.

7. Effects of tellurium concentration on the structure of melt-grown ZnSe crystals / L.V.Atroshchenko, S.N.Galkin, I.A.Rybalka, E.F.Voronkin, A.I.Lalayants, V.D.Ryzhikov, A.G.Fedorov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2005. – Vol. 537, № 1-2. – P. 211-214.

8. Взаимодействие компонентов в системе ZnSe-ZnTe-Se-H₂-С / Л.П.Гальчинецкий, С.Н.Галкин, В.Д.Рыжиков, И.А.Рыбалка, Е.Ф.Воронкин, А.И.Лалаянц, Н.Г.Старжинский, В.И.Силин // Неорганические материалы. – 2005. – Т. 41, № 9. – С. 1065-1069.

9. Влияние примеси теллура на фазовый переход, структуру и дефектность кристаллов ZnSe, выращиваемых из расплава / Л.В.Атрощенко, С.Н.Галкин, И.А.Рыбалка, А.Г.Федоров, Е.Ф.Воронкин, А.И.Лалаянц, В.Д.Рыжиков // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. – 2006. – № 2. – С. 60-63.

10. Термически- и радиационно-стимулированные дефекты в полупровод-никовых кристаллах селенида цинка / Л.В.Атрощенко, Е.Ф.Воронкин, С.Н.Галкин, А.И.Лалаянц, С.Е.Третьяк, В.Д.Рыжиков, И.А.Рыбалка, А.Н.Водин // Вопросы атомной науки и техники. – 2006. – № 4. – С. 239-240.

11. Microhardness and brittle strength of ZnSe_(1-x)Te_x crystals grown from melt / I.A.Rybalka, S.N.Galkin, E.F.Voronkin, V.D.Ryzhikov, P.V.Mateychenko // Functional Materials. – 2006. – Vol. 13, № 4. – P. 618-623.

12. Пат. 62758А Україна, G01B11/16. Спосіб визначення розподілу неоднорідностей структури кристала / В.П.Мигаль, І.А.Клименко, О.С.Фомін, І.А.Рибалка, О.М.Чугай (Укр.); заявник й патентовласник Національний аерокосмічний університет ім.М.Є.Жуковського „ХАІ”. – № 2003054444; заявл. 19.05.2003; опубл. 15.12.2003, Бюл. №12.

13. Relationship between electrophysical properties and structure defectness of crystals Cd_1-xZn_xTe and conditions of their preparation / V.D.Ryzhikov, L.V.Atroshchenko, L.P.Galchinetskii, S.N.Galkin, S.O.Kostyukevich, I.A.Rybalka, V.I.Silin, N.G.Starzhinski // Proc. of SPIE Conf. on Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics. – Denver, 1999. – Vol.3768. – P. 221-226.

14. Влияние технологических параметров роста кристаллов Cd_1-xZn_xTe на степень их структурного совершенства и электрофизические свойства: програма і тези доповідей X Науково-технічної конференції [“Складні оксиди, халькогеніди та галогеніди для функціональної електроніки”], (Ужгород, 26-29 вересня 2000 р.) / Ужгородський держ. ун-т. – Ужгород: Ужгородський держ. ун-т, 2000. – 40 с.

15. Расчет термодинамических параметров в системе CdТе-ZnTe-О₂-С при выращивании кристаллов Cd_1-xZn_xTe из расплава: материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам [“Ломоносов-2002”], (Москва, Россия, 9-12 апреля 2002 г.) / Моск. гос. ун-т им. М.В.Ломоносова. – М.: Моск. гос. ун-т им. М.В.Ломоносова, 2002. – 286 с.

16. Взаимодействие компонентов CdZnTe с газовой средой и конструкционными материалами при выращивании кристаллов в компрессионных установках: тезисы докладов XIV Международной конференции по химической термодинамике [“RCCT-2002”], (Санкт-Петербург, Россия, 1-5 июля 2002 г.) / РАН, Санкт-Петерб. гос. ун-т. – СПб: Сантк-Петерб. гос. ун-т, 2002. – 86 с.

17. Еffect of tellurium upon the structure of melt-grown ZnSe crystals: Book of Abstracts 7^th International Conference on Inorganic Scintillators and Industrial Applications [“SCINT-2003”], (Valencia, Spain, September 8-12, 2003) / University of Valencia, Polytechnic University of Valencia [et al.]. – Valencia: University of Valencia, 2003. – 90 p.

18. Effect of a thermal treatment upon optical and mechanical properties of ZnSe(Te) crystals: Book of Abstracts, IEEE Conference, Nuclear Science Symposium, (Rome, Italy, October 16-22, 2004) / Institute of Electrical and Electronics Engineers, Nuclear and Plasma Sciences Society [et al.]. – Rome: Inst. of Electrical and Electronics Engineers, 2004. – 252 p.

19. Микротвердость и хрупкая прочность кристаллов ZnSe_(1-x)Te_x, выращенных из расплава: тезисы докладов XII Национальной конференции по росту кристаллов [“НКРК-2006”], (Москва, Россия, 23-27 октября 2006 г.) / РАН, Ин-т кристаллографии им.А.В.Шубникова. – М.: Ин-т кристаллографии им.А.В.Шубникова, 2006. – 210 с.

20. Variation of the scintillation and optical parameters of zinc selenide crystals at the different thermal treatment: Abstracts International Conference “Functional Materials” [“ICFM-2007”], (Partenit, Crimea, Ukraine, October 1-6, 2007) / Ministry of Education and Science of Ukraine, Vernadsky Taurida Nat. Univer. [et al.]. – Simferopol: Vernadsky Taurida Nat. Univ., 2007. – 387 p.

Список цитованої літератури

1. Физика и химия соединений А^IIB^VI / [под ред. С.А.Медведева; перевод с англ.]. – М.: Мир, 1970. – 624 с.

2. Физико-химические основы синтеза монокристаллов твердых растворов полупроводниковых соединений А^IIB^VI / [Мизецкая И.Б., Олейник Г.С., Буденная Л.Д. и др.]. – К.: Наукова думка, 1986. – 160 с.

3. Атрощенко Л.В. Влияние кристаллогеометрических параметров на устойчивость сфалеритных и вюрцитных структур / Л.В.Атрощенко, Л.А.Сысоев // Кристаллография. – 1971. – вып. 5-6, № 16. – С. 1026-1028.

4. Дмитриев Ю.Н. Термодинамика изовалентного легирования кристаллов полупроводниковых соединений типа А^IIB^VI / Дмитриев Ю.Н., Рыжиков В.Д., Гальчинецкий Л.П. – Харьков: ВНИИ Монокристаллов, 1990. – 50 с. – (Препринт / ВНИИ Монокристаллов; ИМК-90-16).