CN100508220C - 系列类碲镉汞红外材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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系列类碲镉汞红外材料及其制备方法和用途，涉及系列类碲镉汞红外材料及其合成。本发明的目的是要找到一种能带具有较大的可“剪裁”性的半导体材料。选择了VIA族元素Se，VIIA族元素Br和IIB族的Cd和Hg，用固相反应法，合成出新型系列类碲镉汞红外材料化合物CdHg4Q4X6(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)。该材料用于红外探测器和发射器、热电材料和红外激光器等技术领域。

Description

系列类碲镉汞红外材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及新型红外材料及其制备方法，尤其涉及系列类碲镉汞红外材料及其合成。
技术背景
半导体是现代信息技术的基础材料，也是现代国防的关键材料。半导体材料的发展和应用，极大地提高了人类的生活质量。从1958年碲镉汞(Hg1-xCdxTe)晶体(即MCT)被发明以来，经过40多年的发展，MCT材料已成为仅次于Si和GaAs之后的第三种最重要的半导体材料。
硅锗半导体因其禁带不够宽，而且其半导体能隙为间接跃迁型而长期置身光电子学领域之外，  GaAs导热率低不能用于高功率的电力电子器件，而MCT则具有众多的优点：本征激发、高的吸收系数和高的量子效率(大于80％)而具有高的探测率。MCT工作温度较高，可工作的温度范围也宽，适合于军事上多变的工作温度。目前，在红外器件市场中以MCT为基础的产品占了一半以上。全球每年仅红外探测器的销售额就达数十亿美圆以上，至于红外仪器和红外系统等产业的规模就更大了。然而，MCT也有其缺点，如：晶体结构完整性差，合金组分不均匀，难以制备大尺寸的单晶，等等。由于MCT的基础地位和用途，发达国家往往采取严格的出口限制。因此，设计合成可以替代MCT的新型半导体材料，对于发展我国的红外半导体材料和器件的高科技产业以及增强我国的国防实力，具有非同寻常的意义。
材料的物理性质会随组分的变化而变化，固溶体的能带结构对组分有依赖性，通过控制其组分，可以实现对材料能带结构的“剪裁”。根据此原理，为得到具有指定性能的材料，人们一直在尝试四元化合物半导体材料。四元化合物半导体的一个典型例子是黄锡矿(Cu2FeSnS4)及其类似化合物Cu2CdSnTe4，称为黄锡矿型半导体。
人们希望利用能带结构可以“剪裁”的材料来改善激光器和发光二极管及那些需要较高的电子饱和漂移速度的场效应晶体管。对这些应用来说，四元半导材料因其多了一个组分控制参数，可以给材料性能的“剪裁”以更大的自由度。因此，四元化合物半导体材料的研究近期已成为半导体材料领域一个新的亮点。
发明内容
本发明的目的是要找到一种能带具有较大的可“剪裁”性的半导体材料。为此，需要选择合适的元素来合成一类四元化合物半导体。
我们选择了VIA族元素Se，VIIA族元素Br和IIB族的Cd和Hg，用固相反应法，合成出新型类MCT化合物CdHg4Se4Br6。由于周期表中同一族元素具有相类似的性质，因此，可选择S或Te元素替代Se，Cl或I替代Br元素，在上述制备条件下得到异质同晶的系列化合物CdHg4Q4X6(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)，如CdHg4S4Br6，CdHg4Te4Br6，CdHg4Se4Cl6等。同时由于同族元素的存在的差异，使得该系列半导体材料的能带带宽存在差异，因此，通过调整材料的组份可以得到不同能带带宽的半导体材料以满足不同应用领域的需求。
四元类MCT化合物CdHg4Q4X6(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)有如下优点：相对于其他红外材料的制备、提纯而言，此化合物的制备更简单易行。反应过程不引入杂质，只要使用足够纯的试剂，就无须提纯；可以在相对温和的条件下制备，无须复杂的设备；可以直接获得单晶体，无须进一步生长单晶。
具体实施方式
关于类MCT化合物CdHg4Se4Br6的合成和单晶体生长
类MCT化合物CdHg4Se4Br6的合成和单晶体生长是采用固相反应法同时完成的。反应示意式为：
HgBr2+Se+CdBr2→CdHg4Se4Br6
所用化学试剂及生产厂家为：
HgBr2    May & Baker(England)    纯度≥99.95％
Se粉     四川半导体材料厂        纯度≥99.95％
CdBr2    上海亭新化学试剂厂      纯度≥99.95％
三种试剂的投料量为：
HgBr2   0.5mmol    0.1820g
Se粉    1mmol      0.0789g
CdBr2   0.5mmol    0.1361g
具体操作步骤为：
先按上述反应物的摩尔比1:2:1准确称取相应质量的反应物，放入研钵中研磨均匀，然后将研磨好的混合物压片，装入玻璃管内。将玻璃管抽真空然后用火焰封闭玻璃管。把封好的玻璃管放入马福炉，用温度控制仪控制温度，由室温6h内升温至200℃，在200℃恒温24小时，再6h内升温至300℃，在300℃恒温144小时，再33h内降温至100℃，再在5h内降温至35℃，然后关掉电源。从马福炉中取出玻璃管，打开，可得到黄色块状晶体，最大可达1.6mm×1.4mm×1.0mm.
经单晶结构测定，化合物CdHg4Se4Br6的空间群为Cmm2(No35)，单胞参数为：a＝9.409(8)
Figure C200410030570D0005170343QIETU
，b＝17.53(1)
Figure C200410030570D0005170343QIETU
，c＝9.775(6)
Figure C200410030570D0005170343QIETU
，α＝β＝γ＝90°，Z＝4，单胞体积V＝1612(2)
Figure C200410030570D0005170423QIETU
.紫外一可见光谱测试表明，化合物CdHg4Se4Br6禁带宽度约为2.15eV。该材料可用于红外探测器和发射器。

Claims (7)

1.系列类碲镉汞红外材料，其特征在于：其化学式为CdHg4Q4X6，其中Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I；其空间群为Cmm2(No35)。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：其化学式为CdHg4S4Br6。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于：其化学式为CdHg4Te4Br6。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于：其化学式为CdHg4Se4Cl6。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于：其化学式为CdHg4Se4Br6，空间群为Cmm2(No35)，单胞参数为：a＝9.409(8)b＝17.53(1)c＝9.775(6)α＝β＝γ＝90°，Z＝4，单胞体积禁带宽度为2.15eV。
6.一种权利要求5的材料的制备方法，其特征在于：所述的材料采用固相反应法合成，先按各反应物的摩尔比HgBr2:Se:CdBr2＝1:2:1准确称取相应质量的反应物，放入研钵中研磨均匀，然后将研磨好的混合物压片，装入玻璃管内；将玻璃管抽真空然后用火焰封闭玻璃管，把封好的玻璃管放入马福炉，用温度控制仪控制温度，由室温6h内升温至200℃，在200℃恒温24小时，再6h内升温至300℃，在300℃恒温144小时，再33h内降温至100℃，再在5h内降温至35℃。
7.一种权利要求1的材料的用途，其特征在于：该材料用于红外探测器和发射器。
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