Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x

Проведено комплексне дослідження процесу отримання мікрокристалічного ZnSxSe₁₋x із суміші порошків ZnS та ZnSe з різним вмістом вихідних компонентів.

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Трубаєва, О.Г., Чайка, М.А., Галкін, С.M., Лалаянц, А.І., Непокупна, Т.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2018
Назва видання:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Теми:	Материалы электроники
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150267
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаєва, М.А. Чайка, С.M. Галкін, А.І. Лалаянц, Т.А. Непокупна // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 32 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-150267
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1502672019-04-04T01:25:17Z Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x Трубаєва, О.Г. Чайка, М.А. Галкін, С.M. Лалаянц, А.І. Непокупна, Т.А. Материалы электроники Проведено комплексне дослідження процесу отримання мікрокристалічного ZnSxSe₁₋x із суміші порошків ZnS та ZnSe з різним вмістом вихідних компонентів. Проведено комплексное исследование процесса получения образцов микрокристаллического ZnSxSe₁₋x из смеси исходных порошков ZnS и ZnSe с различным содержанием исходных компонентов. Composite materials based on ZnSxSe₁₋x solid solutions are promising materials for gamma and X-ray detectors. However, influence of compositions and particle size on scintillation properties is unclear, which prevents their application. This paper reports on the complex study of microcrystalline ZnSxSe₁₋x powdered scintillations, prepared by solid phase synthesis from ZnS and ZnSe initial compounds. ZnSxSe₁₋x solid solutions were obtained in the range of x from 0.07 to 0.86 and in the following sizes: 200—250, 140—200, 140—80 μm, and less than 80 μm. 2018 Article Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаєва, М.А. Чайка, С.M. Галкін, А.І. Лалаянц, Т.А. Непокупна // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 32 назв. — укр. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.3.43 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150267 535-34; 535-36 uk Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Материалы электроники Материалы электроники
spellingShingle	Материалы электроники Материалы электроники Трубаєва, О.Г. Чайка, М.А. Галкін, С.M. Лалаянц, А.І. Непокупна, Т.А. Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Проведено комплексне дослідження процесу отримання мікрокристалічного ZnSxSe₁₋x із суміші порошків ZnS та ZnSe з різним вмістом вихідних компонентів.
format	Article
author	Трубаєва, О.Г. Чайка, М.А. Галкін, С.M. Лалаянц, А.І. Непокупна, Т.А.
author_facet	Трубаєва, О.Г. Чайка, М.А. Галкін, С.M. Лалаянц, А.І. Непокупна, Т.А.
author_sort	Трубаєва, О.Г.
title	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x
title_short	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x
title_full	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x
title_fullStr	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x
title_full_unstemmed	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x
title_sort	сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів znsxse₁₋x
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Материалы электроники
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150267
citation_txt	Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x / О.Г. Трубаєва, М.А. Чайка, С.M. Галкін, А.І. Лалаянц, Т.А. Непокупна // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 32 назв. — укр.
series	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
work_keys_str_mv	AT trubaêvaog scintilâcíjnímateríalinaosnovítverdihrozčinívznsxse1x AT čajkama scintilâcíjnímateríalinaosnovítverdihrozčinívznsxse1x AT galkínsm scintilâcíjnímateríalinaosnovítverdihrozčinívznsxse1x AT lalaâncaí scintilâcíjnímateríalinaosnovítverdihrozčinívznsxse1x AT nepokupnata scintilâcíjnímateríalinaosnovítverdihrozčinívznsxse1x
first_indexed	2025-07-13T00:01:00Z
last_indexed	2025-07-13T00:01:00Z
_version_	1837487745492058112
fulltext	Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 43ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 1 ÓÄÊ 535-34; 535-36 О. Г. ТРУБАЄВА1, М. А. ЧАЙКА2, к. т. н. С. M. ГАЛКІН1, А. І. ЛАЛАЯНЦ1, Т. А. НЕПОКУПНА1 Óкраїна, м. Харків, 1Інститут сцинтилляційних матеріалів НАН Óкраїни; Польща, м. Варшава, 2Інститут фізики ПАН E-mail: trubaeva.olya@gmail.com CЦИНТИЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ ТВЕРÄИХ РОЗЧИНІВ ZnSxSe1–x Êристалічні люмінофори на основі А2В6 з ге- нерацією випромінювання у видимому діапазо- ні спектра знаходять досить широке застосуван- ня в різних областях радіаційного приладобу- дування (дозиметрія, інтроскопія, неруйнівний контроль тощо) [1—4]. З цього класу люміно- форів на сьогодні найбільш відомими є сцинти- лятори на основі селеніду цинку [4—6], однак їх виробництво досить трудомістке, вимагає ве- ликих фінансових витрат, до того ж завдає шко- ди екологічному середовищу. Це вимагає пошу- ку простих у виготовленні, хімічно стійких сцин- тиляторів для детектуючих приладів і пристро- їв нового покоління, виробництво яких має мі- німальний техногенний вплив на нав колишнє середовище. Альтернативою тут може стати створення ком- позиційних матеріалів на основі мікро- та нано- кристалічних сцинтиляційних порошків, отри- маних різноманітними методами [7—14]. Їхніми перевагами перед монокристалічними матеріала- ми є висока однорідність сцинтиляційних пара- метрів, відсутність необхідності пікселювання композиційного сцинтилятору для багатоканаль- них фотодетектуючих пристроїв, відсутність об- межень в лінійних розмірах, більша технологіч- ність виготовлення. Також гнучкий композитний сцинтилятор, який максимально щільно приля- гає до поверхні фотоприймача будь-якого про- філю, може стати альтернативою фотоплівки. Основою для створення нових люмінофо- рів стали тверді розчини ZnSxSe1–x. Ці унікаль- Проведено комплексне дослідження процесу отримання мікрокристалічного ZnSxSe1–x із суміші порошків ZnS та ZnSe з різним вмістом вихідних компонентів. Показано, що додавання плавня NaCl у кількості 2% від загальної маси суміші сприяє протіканню реакції твердофазного синтезу. Оптимальним складом твердого розчину прийнято ZnS0,39Se0,61. Інтенсивність рентгенолюмінесценції такого зразка у чотири рази більша, ніж «класичного» ZnSe(Al). Також було проведено компакту- вання порошків люмінофорів для отримання композиційних сцинтиляторів ZnSxSe1–x. Дослідження їхніх оптичних та сцинтиляційних властивостей показали, що найкращі показники мають ком- позити з вмістом сірки х = 0,5 та х = 0,69, інтенсивність рентгенолюмінесценції яких у два рази вища, ніж композитів ZnSe(Al) та ZnSe(Те). Ключові слова: твердий розчин ZnSxSe1–x, твердофазний синтез, плавень, хлорид натрію, компо- зитний сцинтилятор, рентгенолюмінесценція. ні сполуки мають необмежену взаємну розчин- ність компонентів у всьому інтервалі концен- трацій і велику різницю в значеннях ширини забороненої зони — 3,8 еВ для ZnS та 2,6 еВ для ZnSe, що дозволяє отримувати матеріали з необхідними властивостями [15—17]. Завдяки цьому, ZnSxSe1–x можна застосовувати у детек- торах гамма- та рентгенівського випромінюван- ня для систем безпеки та неруйнівного контро- лю. Проте на сьогодні композиційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe1–x є недостат- ньо вивченими, і питання про можливість їх ви- користання в області радіаційного приладобуду- вання залишається відкритим. Метою даної роботи є отримання композицій- них сцинтиляторів нового типу на основі твер- дих розчинів ZnSxSe1–x та дослідження їх влас- тивостей у порівнянні з відомими сцинтилято- рами ZnSe(Te) та ZnSe(Al). Отримання зразків та методи досліджень Твердофазний синтез ZnSxSe1–x проводили шляхом спікання суміші порошків ZnS і ZnSe в горизонтальній печі в кварцовому реакторі в атмосфері інертного аргону. Застосування ар- гону підвищує ефективність утворення твердо- го розчину завдяки протіканню хімічних реак- цій, що призводять до руйнування шару ZnO, який обмежує швидкість спікання [18, 19]. Прожарювання зразків здійснювалося в одну стадію за температури 900°С, тривалість синте- зу становила 5 годин. Óмови спікання обирались DOI: 10.15222/TKEA2018.3.43 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 44 ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 2 з урахуванням розміру гранул і розрахункової швидкості протікання твердофазної реакції. Особлива увага під час синтезу матеріалів приділялась дотриманню високої чистоти вихід- них реактивів, лабораторного посуду та робочо- го простору, оскільки сторонні домішки можуть негативно вплинути на люмінесцентні властивос- ті отримуваних зразків. Як вихідні компоненти використовувалася суміш розмеленого кристала селеніду цинку CVD та порошку сульфіду цин- ку чистотою 5N з різним ваговим співвідношен- ням компонентів і розміром частинок. Äля дослідження впливу вмісту сірки на сцин- тиляційні параметри зразків були отримані тверді розчини ZnSxSe1–x, склад яких змінювався у ши- рокому діапазоні: від х = 0,07 до х = 0,86. Êрім того, були досліджені зразки однакового складу, виготовлені з порошків з різним розміром час- ток: 200—250 мкм, 140—200 мкм, 140—80 мкм і менше 80 мкм. Слід зазначити, що без використання плав- ня синтез сполук ZnS і ZnSe не відбувається і твердий розчин не утворюється, а за викорис- тання мінералізуючих речовин подібні сполуки (галогеніди, фосфати, сульфати тощо) створю- ють псевдозріджений шар і тим самим сприяють кращому проникненню елементів-активаторів в основу люмінофора [20—27]. Êрім того, засто- сування плавня дозволяє створити необхідні де- фекти (пастки) за рахунок введення в матрицю сполук катіонної і аніонної складових, що при- зводить до підвищеної щільності заряду по всьо- му об’єму кристала [26, 27]. Це також сприяє зниженню температури синтезу люмінесцентних композицій, що робить процес більш ефектив- ним і дозволяє продовжити термін служби ви- користовуваних тиглів і нагрівальних елементів. Ó зв’язку зі сказаним, для кращого сплаву ре- човин, більш повного проходження реакції твер- дофазного синтезу та посилення бажаних смуг в спектрі люмінесценції в шихту був доданий NaCl у кількості 2% від загальної маси. (Вибір саме NaCl обумовлений тим, що він має низьку температуру плавлення — 801°С [28, 29], утво- рює розплав, який сприяє кращій дифузії реа- гентів та прискорює протікання реакції, а також добре розчиняється у воді, завдяки чому залиш- ки цієї сполуки легко можна видалити з готово- го продукту.) Після відпалу зразків повноту протікан- ня твердофазних реакцій спікання ZnS і ZnSe контролювали за даними вимірів спектрів їх ди- фузного відбивання. Застосування цього мето- ду пов’язане з тим, що для твердих розчинів на основі А2В6, в тому числі і для ZnSxSe1–x, харак- терною є залежність ширини забороненої зони від складу, що можна оцінити зі спектрів дифуз- ного відбивання по положенню краю фундамен- тальної смуги поглинання. Про повноту прохо- дження реакції можна судити за формою кри- вої дифузного відбивання, тобто за наявності на неї перегинів, які утворюються внаслідок скла- дання смуг поглинання від декількох сполук в суміші, що більшою мірою проявляється в об- ласті короткохвильового оптичного краю фунда- ментальної смуги поглинання твердого розчину. Зразки композитних матеріалів отримували з суміші порошків ZnS і ZnSe, яка перемішува- лася з клеєм СÊТН у відсотковому співвідно- шенні 80:20. Äля вимірів фазового складу сульфоселенід- них сполук використовувався дифрактометр ви- сокої роздільної здатності Philips X’PERT PRO ALPHA-1 MPD, що працює в режимі безперерв- ного сканування, оснащений рентгенівською трубкою з мідним анодом із застосуванням ви- промінювання CuKα1. Спектри рентгенолюмінесценції реєстрували із застосуванням спектрофотометричного комп- лексу ÊСВÓ-23. Як джерело рентгенівського ви- промінювання використовувався рентгенівський апарат РЕІС-І (Cu, U = 10—45 кВ). Відносний світловихід був виміряний на стен- ді СІСÊ, який включав рентгенівське джере- ло РАП-150, двокоординатну систему перемі- щення на основі графобудівника, фотоприймач (кремнієвий фотодіод розміром 5×5 мм) з ін- струментальним підсилювачем постійного стру- му і комп’ютер. Дослідження твердих розчинів ZnSxSe1–х Наведені на рис. 1 спектри дифузного відби- вання твердих розчинів ZnSxSe1–x, синтезованих з додаванням NaCl, свідчать про те, що реак- ція твердофазного синтезу відбулася повні стю, Рис. 1. Спектри дифузного відбивання твердих розчинів ZnSхSe1–х з різною концентрацією сірки: 1 — ZnSe CVD; 2 — ZnS0,14Se0,86; 3 — ZnS0,27Se0,73; 4 — ZnS0,39Se0,61; 5 — ZnS0,5Se0,6; 6 — ZnS0,69Se0,31 1 4 6 5 3 2 400 500 600 λ, нм І, в ід н. о д. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 45ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 3 оскільки на краю спектрів відсутні перегини. Як видно з рисунку, зі збільшенням вмісту сір- ки край фундаментальної смуги поглинання зсу- вається у короткохвильову область через збіль- шення ширини забороненої зони. На механізм перерозподілу енергії в потрій- ній системі ABxC1–x і концентрацію точкових дефектів сильно впливає концентрація доміш- ки у сполуці. На рис. 2 для твердих розчинів ZnSxSe1–x з різною концентрацією сірки пред- ставлено спектри люмінесценції, віднесеної до максимальної інтенсивності люмінесценції крис- тала ZnSe(Al) у досліджуваному діапазоні. Тут видно, що для всіх зразків спостерігається сму- га світіння в області 590—615 нм. Зі збільшен- ням концентрації сірки спектр зсувається у ко- роткохвильову область, що пов’язане зі зростан- ням ширини забороненої зони, а інтенсивність рентгенолюмінісценції зростає. З досліджува- них зразків найкращі показники показав твер- дий розчин ZnS0,86Se0,14, в якому формується оптимальна концентрація потрійних комплек- сів VZnZniOSe. Як видно з рис. 2, положення смуги рентге- нолюмінесценції кристалів ZnSe(Al) і твердих розчинів ZnSxSe1–x є однаковим, воно відпові- дає світінню потрійного комплексу VZnZniOSe. Отже, очевидно, що механізм радіаційних пере- ходів цих матеріалів ідентичний [9, 30]. Слід зазначити, що за результатами рентгено- фазового аналізу було встановлено, що всі дослі- джувані зразки мали кубічну решітку сфалериту. Енергетичне розрізнення і швидкість детекто- ра визначається величиною післясвітіння. Як ви- дно з наведених у таблиці даних, найбільший рі- вень післясвітіння — 7,87% через 5 мс — спо- стерігається у зразка ZnS0,86Se0,14, що, ймовір- но, пов’язане з великою концентрацією вільних електронів, які не беруть участь у рекомбінації [31, 32]. Збільшення вмісту селену призводить до зменшення післясвітіння за рахунок утво- рення акцепторних центрів, які діють як центри захоп лення вільних електронів [32]. Найменше значення післясвітіння — близько 0,7% через 5 мс — було виявлено для зразка ZnS0,07Se0,93. Оскільки тверді розчини з великим вмістом сірки мали великий рівень післясвітіння, як оптимальний був обраний склад х = 0,39, тобто ZnS0,39Se0,61. Äля такого вмісту сірки були про- ведені дослідження щодо впливу розміру части- нок вихідних порошків на сцинтиляційні влас- тивості синтезованого з них твердого розчину. Як видно з рис. 3, зі зростанням розміру час- тинок спектр зсувається в довгохвильову об- Зразок Післясвітіння, %, через: 5 мс 10 мс 20 мс 25 мс ZnS0,07Se0,93 0,73 0,44 0 0 ZnS0,14Se0,86 0,97 0,85 0 0 ZnS0,21Se0,79 1,35 0,45 0,15 0 ZnS0,27Se0,73 1,58 0,71 0 0 ZnS0,33Se0,67 1,62 0,96 0 0 ZnS0,39Se0,61 3,49 1,95 0,84 0 ZnS0,5Se0,5 3,54 1,83 1,72 1,35 ZnS0,69Se0,31 5,99 3,86 3,35 2,59 ZnS0,86Se0,14 7,87 6,05 4,98 4,05 Післясвітіння зразків твердих розчинів ZnSxSe1–x з різною концентрацією сірки Рис 2. Спектри рентгенолюмінесценції твердих розчинів ZnSxSe1–x з різною концентрацією сірки та кристалу ZnSe(Al): 1 — ZnS0,21Se0,79; 2 — ZnS0,27Se0,73; 3 — ZnS0,39Se0,61; 4 — ZnS0,5Se0,5; 5 — ZnS0,69Se0,31; 6 — ZnS0,86Se0,14; 7 — ZnSe(Al) 1 4 6 5 3 2 450 500 550 600 650 700 λ, нм І, в ід н. о д. 5 4 3 2 1 0 7 Рис 3. Спектри рентгенолюмінесценції твердих розчинів ZnS0,39Se0,61, синтезованих з порошків з різним розміром частинок, та кристалу ZnSe(Al): 1 — 200—250 мкм; 2 — 140—200 мкм; 3 — 80—140 мкм; 4 — менше 80 мкм; 5 — ZnSe(Al) 1 4 5 3 2 450 500 550 600 650 700 λ, нм І, в ід н. о д. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 46 ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 4 ласть, а найбільша інтенсивність рентгенолю- мінесценції відповідає зразку з розміром части- нок менше 80 мкм. Äля отримання більш повної картини були проведені рентгеноструктурні дослідження твер- дих розчинів ZnS0,39Se0,61, синтезованих з плав- нем NaCl з порошків з розміром частинок мен- ше 80 мкм та 200—250 мкм. На рис. 4 наведе- но експериментальні дифрактограми зразків ра- зом з теоретичною кривою, побудованою за ме- тодом Рітвельда, та їх різниця. Було зроблено уточнення структури для зразків ZnS0,39Se0,61 для повного кутового діапазону (від 14 до 159° з кроком 0,016713°). Як було сказано вище, всі тверді розчини ZnSxSe1–x мають кубічну струк- туру сфалерит, але тверді розчини ZnS0,39Se0,61 з розміром частинок менше 80 мкм (рис. 4, а) є більш однорідними за складом, ніж з розмі- ром частинок 200—250 мкм (рис. 4, б), тобто процес протікання твердофазної реакції в них більш ефективний. Дослідження композитів ZnSxSe1–x Оскільки було встановлено, що сцинтиляційні характеристики твердих розчинів ZnSxSe1–x тим кращі, чим більший вміст сірки, композитні ма- теріали для досліджень були виготовлені за зна- чень х = 0,39; 0,50; 0,69; 0,86. Порівняння про- водилося з «класичними» композиційними ма- теріалами ZnSe(Te) та ZnSe(Al) тих самих роз- мірів та виготовлених в аналогічних умовах. З наведених на рис. 5 спектрів рентгено- люмінесценції видно, що смуга світіння дослі- джуваних композитів розташована в області 575—590 нм, а їхня інтенсивність світіння вища за ZnSe(Te) і ZnSe(Al). При цьому найбільшу інтенсивність рентгенолюмінесценції показали зразки ZnS0,5Se0,5 та ZnS0,69Se0,31. Також було проведене дослідження відносно- го світлового виходу композиційних матеріалів, яке показало, що для всіх досліджуваних зраз- ків він в два та більше разів вищий, ніж компо- зиту ZnSe(Al). На рис. 6 видно, що світлови- хід зростає зі збільшенням вмісту сірки, і най- Рис. 4. Рентгенівські дифрактограми твердих розчинів ZnS0,39Se0,61, синтезованих з порошків з розміром ча- стинок менше 80 мкм (а) та 200—250 мкм (б) (нижні криві — різниця між теоретично розрахованою за методом Рітвельда та отриманою експериментально дифрактограмами) 20 40 60 80 100 120 2–Θ, ° І, в ід н. о д. 10000 8000 6000 4000 2000 0 а) б) 20 40 60 80 100 120 2–Θ, ° І, в ід н. о д. 20000 16000 12000 8000 4000 0 Рис 6. Величина світлового виходу композитів ZnSxSe1–x з різним вмістом сірки х, віднесена до світловиходу ZnSe(Al) ZnSe(Al) 0,39 0,50 0,69 0,86 х ZnSxSe1–x С ві тл ов их ід , % 250 200 150 100 50 0          Рис 5. Спектри рентгенолюмінесценції композитів ZnSe(Te), ZnSe(Al) та ZnSxSe1–x з різним вмістом сірки: 1 — ZnSe(Al); 2 — ZnSe(Te); 3 — ZnS0,39Se0,61; 4 — ZnS0,5Se0,5; 5 — ZnS0,69Se0,31; 6 — ZnS0,86Se0,14 1 4 65 3 2 400 500 600 700 λ, нм І, в ід н. о д. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 47ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 5 більша його величина відповідає зразку з мак- симальним вмістом сірки, тобто ZnS0,86Se0,14. Висновки Äослідження сцинтиляційних властивос- тей зразків твердих розчинів ZnSxSe1–x в ши- рокому інтервалі значень х (від 0,07 до 0,86), синтезованих з додаванням плавня NaCl, по- казали можливість отримання матеріалу з ін- тенсивною люмінісценцією у порошковому ви- гляді. Встановлено, що зі збільшенням вміс- ту сірки зростає інтенсивність рентгенолюмі- несценції та післясвітіння твердого розчину, тому за оптимальний склад обрано ZnS0,39Se0,61. Інтенсивність рентгенолюмінесценції таких зраз- ків у чотири рази більша, ніж «класичного» ZnSe(Al). Також виявлено, що на інтенсивність рентгенолюмінесценції впливає розмір частинок вихідної суміші порошків: за умов однакового вмісту сірки інтенсивність тим більша, чим мен- ше розмір цих частинок. Це так само стосується і структурної однорідності синтезованих зразків. Äослідження композитів ZnSxSe1–x показа- ли, що найкращі сцинтиляційні властивості ма- ють зразки з х = 0,5 та х = 0,69, їхній світло- вий вихід та інтенсивність рентгенолюмінесцен- ції більш ніж в два рази перевищують показники «класичних» композитів ZnSe(Al) та ZnSe(Те). Отримані результати можуть бути використа- ні при виготовленні ефективних сцинтиляційних матеріалів на основі твердих розчинів ZnSxSe1–x. ВИÊОРИСТАНІ ÄЖЕРЕЛА 1. Mizetskaya I.B., Oleinik G.S. Physical and chemical principles of the single crystals synthesis of semiconductor solid solutions of A2B6 compounds.— Êиїв: Наукова думка, 1984. 2. Katrunov K., Lalaiants O., Baumer V. et al. Peculiarities of scintillation materials based on ZnS—ZnTe solutions // Functional Materials.— 2013.— Vol. 20, N3.— P. 384—389.— https://doi.org/10.15407/fm20.03.384 3. Старжинский Н.Г. Сцинтилляторы на основе соеди- нений АIIBVI. Получение, свойства и особенности получе- ния.— Харьков: Институт монокристаллов, 2007. 4. Fischer A.G. Preparation and properties of ZnS-type crystals from the melt // Journal of Electrochemistry Society.— 1959.— Vol. 106, N 9.— P. 838—839.— https:// doi.org/10.1149/1.2427507 5. Ryzhikov V., Chernikov V., Gal’chinetskii L. et al. The use of semiconductor scintillation crystals АIIBVI in radiation instruments // Journal of Crystal Growth.— 1999.— Vol. 197.— P. 655—658.— https://doi.org/10.1016/ S0022-0248(98)00771-4 6. Trubaieva O.G., Lalayants A., Chaika M.A. Band gap change of bulk ZnSxSe1–x semiconductors by controlling the sulfur content // Ukrainian Journal of Physics.— 2018.— Vol. 63, N 1.— P. 33—37.—https://doi.org/10.15407/ ujpe63.01.0033 7. Galkin. S.N., Galchinetsky L.P., Katrunov K.A. The formation of CdS1–xTex solid solutions by sintering of CdS and CdTe powders // Inorganic materials.— 1992.— Vol. 28.— P. 2058—2062. 8. Wreigth H., Barnard W., Heelbig J. Solid solutions in the systems ZnS—ZnSe and PbS—PbSe at 300°C and above. American Mineralogist.— 1965.— Vol. 50.— P. 1802—1815. 9. Гургула, Г.Я., Бойчук, В.М., Вадюк, М.П., Фреїк, Н.Ä, Êристалохімія точкових дефектів твердих розчинів ZnSexS1–x // Фізика і хімія твердого тіла.— 2011.— Т. 12, № 2.— С. 395—401. 10. Wooley J.C., Ray B. Solid solution in АIIBVI tellurides // Journal of Physics and Chemistry of Solids.— 1960.— Vol. 13, N 1–2.— P. 151—153.— https://doi. org/10.1016/0022-3697(60)90135-9 11. Singh N.B, Ching-Hua Su, Bradley A. Optical and morphological characteristics of zinc selenide-zinc sulfide solid solution crystals // Optical Materials.— 2016.— Vol. 60, N 10.— P. 474—480.— https://doi. org/10.1016/j.optmat.2016.08.031 12. Hajj Hussein R., Pagиs O., Firszt F. et al. Near- forward Raman study of a phonon-polariton reinforcement regime in the Zn(Se,S) alloy // Journal of Applied Physics.— 2014.— Vol. 116, N 8.— P. 083511.— https:// doi.org/10.1063/1.4893322 13. Hussein R.H., Pagés O., Doyen-Schuler S. et al. Percolation-type multi-phonon pattern of Zn (Se, S): Backward/forward Raman scattering and ab initio calculations // Journal of Alloys and Compounds.— 2015.— Vol. 644.— P. 704—720.— https://doi.org/10.1016/j. jallcom.2015.04.078 14. Морозова Н.Ê. Селенид цинка. Получение и опти- ческие свойства.— Москва: Наука, 1992. 15. Katsumi Mochizuki. Vapor growth and stoichiometry control of zink sulfo-selenide // Journal of Crystal Growth.— 1982.— Vol. 58.— P. 87—94.— https://doi. org/10.1016/0022-0248(82)90213-5 16. Koshkin V.M., Dulfan A.Ya, Ganina N.V. Tellurium, sulfur, and oxygen isovalent impurities in ZnSe semiconductor // Functional Materials.— 2002.— Vol. 9, N 3.— P. 438—441. 17. Берченко Н.Н., Êревс В.Е., Средин В.Г. Полупроводниковые твердые растворы и их применение. Справочные таблицы.— Москва: Воениздат, 1982. 18. Êулаков М.П., Фадеев А.В. Окисление механически полированного селенида цинка при нагревании на воздухе // Известия. АН СССР. Неорганические материалы.— 1988.— Т. 19, № 3.— С. 347. 19. Зуев А.П., Êулаков М.П., Фадеев А.В. Содержание кислорода в кристаллах ZnS, ZnSe и CdS, выращенных из расплава // Известия. АН СССР. Неорганические материалы.— 1981.— Т. 17, № 7.— С. 1159. 20. Hye-Jin Sung, Young-Sik Cho, Young-Duk Huh, Young Rag Do. Preparation, characterization and photoluminescence properties of Ca1–xSrxS:Eu red-emitting phosphors for a white LED // Bulletin of the Korean Chemical Society.— 2007.— Vol. 28.— P. 1280—1284.— https://doi.org/10.5012/ bkcs.2007.28.8.1280 21. Dongdong Jia, Jing Zhu, Boqun Wu. Trapping centers in CaS:Bi3+ and CaS:Eu2+ ,Tm3+ // Journal of the Electrochemical Society.— 2000.— Vol. 147.— P. 386— 389.— https://doi.org/10.1149/1.1393205 22. Lee Park H., Hwang Y.H. Physics of alkaline-earth sulfide phosphors // Chinese journal of physics.— 1995.— Vol. 28, N 1.— P. 105—113.— https://doi.org/10.6122/CJP 23. Dongdong Jia, Xiao-jun Wang. Alkali earth sulfide phosphors doped with Eu2+ and Ce3+ for LEDs // Optical Materials.— 2007.— Vol. 30.— P. 375—379.— https:// doi.org/10.1016/j.optmat.2006.11.061 24. Thiyagarajan P., Kottaisamy M., Sethupathi K. Preparation and luminescent properties of SrS:Ce by addition of sulphur as a co-activator in SrSO4:Ce(SO4)2∙4H2O by carbothermal reduction // Proceedings of the Materials Research Society.— 2004.— Vol. 829.— P. 331—337.— https://doi.org/10.1557/PROC-829-B2.33 25. Jiayue Sun, Randi Sun, Haiyan Du. Synthesis and characterization of nanosized phosphor SrS:Eu2+, Sm3+ by a hydrothermal process // Advanced Materials Reseach.— 2011.— Vol. 295—297.— P. 531—534.— https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/AMR.295-297.531 26. Yoshiyuki Kojima, Takeshi Toyama. Effect of strontium and lithium ions on afterglow time of red-emitting CaS:Eu2+, Pr3+ phosphor upon visible-light irradiation // Journal of Alloys and Compounds.— 2008.— Vol. 4.— P. 1—5.— https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.079 27. Pitale S.S., Sharma S.K., Dubey R.N., Qureshi M.S., Malik M.M. TL and PL studies on defect-assisted green luminescence from doped 147 strontium sulfide Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 48 ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 6 О. Г. ТРУБАЕВА1, М. А. ЧАЙКА2, С. Н. ГАЛКИН1, А. И. ЛАЛАЯНЦ1, Т. А. НЕПОКУПНАЯ1 Óкраина, г. Харьков, 1Институт сцинтилляционных материалов НАН Óкраины; Польша, г. Варшава, 2Институт физики ПАН E-mail: trubaeva.olya@gmail.com CЦИНТИЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ТВЕРÄЫХ РАСТВОРОВ ZnSxSe1–x Проведено комплексное исследование процесса получения образцов микрокристаллического ZnSxSe1–x из смеси исходных порошков ZnS и ZnSe с различным содержанием исходных компонентов. Показано, что добавление плавня NaCl в количестве 2% от общей массы смеси способствует протеканию реакции твердофазного синтеза. Оптимальным составом твердого раствора выбран ZnS0,39Se0,61, имеющий в че- тыре раза большую интенсивность рентгенолюминесценции, чем «классический» ZnSe(Al). Также было проведено компактирование порошков люминофоров для получения композиционных сцинтилляторов ZnSxSe1–x. Исследование их оптических и сцинтилляционных свойств показали, что лучшие показатели имеют композиты ZnS0,5Se0,5 и ZnS0,69Se0,31, интенсивность рентгенолюминесценции которых в два раза выше, чем композитов ZnSe(Al) и ZnSe(Те). Ключевые слова: твердый раствор ZnSxSe1–x, твердофазный синтез, плавень, хлорид натрия, композит- ный сцинтиллятор, рентгенолюминесценция. DOI: 10.15222/TKEA2018.3.43 UDC 535-34; 535-36 phosphor // Journal of Luminescence.— 2008.— Vol. 128.— P. 1587—1594.— https://doi.org/10.1016/j.jlumin. 2008.03.002 28. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник.— Минск.: Современная школа, 2005. 29. Êарапетьянц М.Н. Химическая термодинамика.— Mосква: Химия, 1975. 30. Георгобиани А.Н., М.Б. Êотляревский. Проблема управления составом точечных дефектов в соединениях АIIВVI. Физика соединений АIIВVI // Сборник научных трудов.— Москва: Наука, 1986.— C. 72—108. 31. Watkins G.D. Intrinsic defects in II–VI semiconductors // Journal of Crystal Growth.— 1996.— Vol. 159, iss. 1—4.— P. 338—344.— https://doi.org/10.1016/0022- 0248(95)00680-X 32. Hopfield J.J., Thomas D.G., Lynch R.T. A review of radioactive recombination at іsоelectronic donors and acceptors // Journal of the Physical Society of Japan.— 1966.— Vol. 21.— P. 265—271.— https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.17.312. Дата поступления рукописи в редакцию 07.06 2018 г. O. G. TRUBAІEVA1, M. A. CHAIKA2, S. N GALKIN1, A. I. LALAYANTS1, T. A. NEPOKUPNAYA1 Ukraine, Kharkiv, 1Institute of Scintillation Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine; Poland, Warsaw, 2Institute of Physics, PAS E-mail: trubaeva.olya@gmail.com SCINTILLATION MATERIALS BASED ON ZnSxSe1–x SOLID SOLUTIONS Composite materials based on ZnSxSe1–x solid solutions are promising materials for gamma and X-ray detectors. However, influence of compositions and particle size on scintillation properties is unclear, which prevents their application. This paper reports on the complex study of microcrystalline ZnSxSe1–x powdered scintillations, prepared by solid phase synthesis from ZnS and ZnSe initial compounds. ZnSxSe1-x solid solutions were obtained in the range of x from 0.07 to 0.86 and in the following sizes: 200—250, 140—200, 140—80 μm, and less than 80 μm. X-ray diffractions of powder ZnSxSe1–x shows formation of a cubic lattice of sphalerite structure. ZnSxSe1–x powders demonstrate a presence of a luminescence band in the 590—615 nm regions, while an increase in sulfur concentration leads to a shift of the maximum intensity of X-ray induced luminescence to the short-wave region, which is associated with an increase of the band gap width. The best parameters of X-ray induced luminescence are obtained for the solid solution with 39 at.% of sulfur. The ZnS0,39Se0,61 solid solutions obtained under these conditions have an X-ray induced luminescence intensity that is 4 times higher than that of ZnSe(Al) single crystal and a relatively low level of afterglow. In ZnSxSe1–x solid solutions, increasing of particle size leads to shifts of the X-ray induced luminescence to the longwave region. The highest intensity of the X-ray induced luminescence corresponds to the ZnS0,39Se0,61 composition with the particle size of less than 80 μm. Also, ZnS0,39Se0,61 solid solutions, with particle size less than 80 microns, are more homogeneous in composition, which is why the process of solid phase reaction in them passes more efficiently. It is shown that the ZnSxSe1-x composite scintillators can be used as gamma and X-ray detectors. It has been established that the effectiveness of these materials depends on their composition. ZnS0,5Se0,5 and ZnS0,39Se0,61 Òåõíîëîãіÿ та êîíñтðóюваííÿ в åëåêтðîííій аïаðатóðі, 2018, ¹ 3 49ISSN 2225-5818 МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОНІКИ 7 REFERENCES 1. Mizetskaya I. B., Oleinik G. S. Physical and chemical principles of the single crystals synthesis of semiconductor solid solutions of A2B6 compounds. Kiev, Naukova dumka, 1984. 2. Katrunov K., Lalaiants O., Baumer V., Galkin S., Galchinetskii L., Brilyova Y. Peculiarities of scintillation materials based on ZnS—ZnTe solid solutions. Functional materials, 2013, vol. 20, iss. 3, pp. 384-389. https://doi. org/10.15407/fm20.03.384 3. Starzhinskiy N.G. Scintillators based on AIIBVI com- pounds. Receipts, properties and features of obtaining. Kharkov, Institute for Single Crystals, 2007. 4. Fischer A.G. Preparation and properties of ZnS- type crystals from the melt. Journal of Electrochemistry Society, 1959, vol. 106, iss. 9, pp. 838-839. https://doi. org/10.1149/1.2427507 5. Ryzhikov, V., Chernikov, V., Gal’chinetskii L. et al. The use of semiconductor scintillation crystals AIIBVI in radiation instruments. Journal of crystal growth, 1999, vol. 197, iss. 3, pp. 655-658. https://doi.org/10.1016/S0022- 0248(98)00771-4 6. Trubaieva O.G., Lalayants A., Chaika M.A. Band gap change of bulk ZnSxSe1–x semiconductors by controlling the sulfur content. Ukrainian Journal of Physics. 2018, vol. 63, no. 1, pp. 33-37. https://doi.org/10.15407/ujpe63.01.0033 7. Galkin. S.N., Galchinetsky L.P., Katrunov K.A. The formation of CdS1–xTex solid solutions by sintering of CdS and CdTe powders. Inorganic materials, 1992, vol. 28, pp. 2058-2062. 8. Wreigth H., Barnard W., Heelbig J. Solid solutions in the systems ZnS—ZnSe and PbS—PbSe at 300°C and above. American Mineralogist. 1965, vol. 50, pp. 1802-1815. 9. Gurgula G.Ya., Bojchuk V.M., Vadyuk M.P., Freik N.D. Crystal chemistry of points defects of the solid solutions ZnSexS1–x. Physics and chemistry of the solid state, 2011, vol. 12, no. 2, pp. 395-401. (Ukr) 10. Woolley J.C., Ray B. Solid solution in AIIBVI tellu- rides. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1960, vol. 13, iss. 1-2, pp. 151-153. https://doi.org/10.1016/0022- 3697(60)90135-9 11. Singh N.B., Su C.H., Arnold B., Choa F.S. Optical and morphological characteristics of zinc selenide-zinc sulfide solid solution crystals. Optical Materials, 2016, vol. 60, pp. 474-480. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.08.031 12. Hajj Hussein R., Pagés O., Firszt F. et al. Near-forward Raman study of a phonon-polariton reinforcement regime in the Zn (Se, S) alloy. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, iss. 8, pp. 083511. https://doi.org/10.1063/1.4893322 13. Hussein R. H., Pagиs O., Doyen-Schuler S. et al. Percolation-type multi-phonon pattern of Zn(Se, S): Backward/forward Raman scattering and ab initio calcula- tions. Journal of Alloys and Compounds, 2015, vol. 644, pp. 704-720. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.078 14. Morozova N.K. Selenid tsinka. Poluchenie i op- ticheskie svoistva [Zinc selenide. Obtaining and optical properties]. Мoskow, Nauka, 1992, 96 p. 15. Katsumi Mochizuki. Vapor growth and stoichiometry control of zink sulfo-selenide. Journal of Crystal Growth, 1982, vol. 58, pp. 87-94. https://doi.org/10.1016/0022- 0248(82)90213-5 16. Koshkin V.M., Dulfan A.Y., Ganina N.V. et al. Tellurium, sulfur, and oxygen isovalent impurities in ZnSe semiconductor. Functional materials, 2002, vol. 9, no. 3, pp. 438-441. Описание статьи для цитирования: Трубаєва О. Г., Чайка М. А., Галкін С. M., Лалаянц А. І., Непокупна Т. А. Сцинтиляційні матеріали на основі твер- дих розчинів ZnSxSe1–x. Техно логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2018, № 3, с. 43—49. http://dx.doi. org/10.15222/TKEA2018.3.43 Cite the article as: Trubaіeva O. G., Chaika M. A., Galkin S. M., Lalayants A. I., Nepokupna T. A. Scintillation materials based on ZnSxSe1-x solid solutions. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 3, pp. 43-49. http:// dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.43 17. Berchenko N.N., Krevs V.E., Sedin V.G. Polu- provodnikovye tverdye rastvory i ikh primenenie. Spravochnye tablitsy [Semiconductor solid solutions and their application. Reference tables]. Мoskow, Voenizdat, 1982, 208 p. (Rus) 18. Kulakov M.P., Fadeev A.V. [Oxidation of mechani- cally polished zinc selenide when heated in air]. Izvestiyа. AN SSSR. Neorganicheskie materialy, 1988, vol. 19, no. 3, p. 347. (Rus) 19. Zuyev A.P., Kulakov M.P., Fadeyev A.V. The oxygen content in ZnS, ZnSe and CdS crystals grown from the melt. Izvestiyа. AN SSSR. Neorganicheskie materialy, 1981, vol. 17, no. 7, p. 1159. (Rus) 20. Sung H.J., Cho Y.S., Huh Y.D., Do Y.R. Preparation, characterization and photoluminescence properties of Ca1–xSrxS:Eu red-emitting phosphors for a white LED. Bulletin of the Korean Chemical Society, 2007, vol. 28, iss. 8, pp. 1280- 1284. https://doi.org/10.5012/bkcs.2007.28.8.1280 21. Jia D., Zhu J., Wu B. Trapping centers in CaS:Bi3+ and CaS:Eu2+, Tm3+. Journal of the Electrochemical Society, 2000, vol. 147, iss. 1, pp. 386-389. https://doi. org/10.1149/1.1393205 22. Park H.L., Hwang Y.H. Physics of Alkaline-Earth Sulfide Phosphors. Chinese Journal of Physics, 1990, vol. 28, iss. 1, pp.105-113. https://doi.org/10.6122/CJP 23. Jia D., Wang X.J. Alkali earth sulfide phosphors doped with Eu2+ and Ce3+ for LEDs. Optical Materials, 2007, vol. 30, iss. 3, pp. 375-379. https://doi.org/10.1016/j. optmat.2006.11.061 24. Thiyagarajan P., Kottaisamy M., Sethupathi K., Rao M. S. R. Preparation and luminescent properties of SrS:Ce by addition of sulphur as a co-activator in SrSO4:Ce(SO4)2∙4H2O by carbothermal reduction. Proceedings of the Materials Research Society, 2005, vol. 829, pp. 331-337. https://doi. org/10.1557/PROC-829-B2.33 25. Sun J.Y., Sun R.D., Du H.Y. Synthesis and charac- terization of nanosized phpsphor SrS: Eu2+, Sm3+ by a hydro- thermal process. Advanced Materials Research, 2011, vol. 295, pp. 531-534. https://doi.org/10.4028/www.scientific. net/AMR.295-297.531 26. Kojima Y., Toyama T. Effect of strontium and lithium ions on afterglow time of red-emitting CaS: Eu2+, Pr3+ phos- phor upon visible-light irradiation. Journal of Alloys and Compounds, 2009, vol. 475, iss. 1-2, pp. 524-528. https:// doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.079 27. Pitale S.S., Sharma S.K., Dubey R.N. et. al. TL and PL studies on defect-assisted green luminescence from doped strontium sulfide phosphor. Journal of Luminescence, 2008, vol. 128, iss. 10, pp. 1587-1594. https://doi.org/10.1016/j. jlumin.2008.03.002 28. Volkov A.I., Zarskij I.M. Bol’shoi khimicheskii spra- vochnik [Great chemical directory]. Мinsk, Sovremenyaja Shkola, 2005, 605 p. (Rus) 29. Karapet’yants M.H. Khimicheskayа termodinamika [Chemical thermodynamics]. Moskow, Chemistry, 1975. (Rus) 30. Georgobiani A. N. Kotlyarevskyi. [The problem of controlling the composition of point defects in compounds AIIBVI. Physics of compounds AIIBVI]. Sbornik nauchnykh trudov, Moskow, Nauka, 1986, pp. 72-108. (Rus) 31. Watkins, G. D. Intrinsic defects in II–VI semiconduc- tors. Journal of crystal growth, 1996, vol. 159, iss. 1-4, pp. 338-344. https://doi.org/10.1016/0022-0248(95)00680-X 32. Hopfield J.J., Thomas D.G., Lynch R.T. Isoelectronic donors and acceptors. Physical Review Letters, 1966, vol. 17, iss. 6, pp. 312. https://doi.org/10.1103/ PhysRevLett.17.312 composites demonstrate the best scintillation characteristics, with twice as high an efficiency as that of the «commercial» ZnSe(Al) composite. Key words: ZnSxSe1–x solid solution, solid phase synthesis, sodium chloride, composite scintillator, X-ray induced luminescence.

Сцинтиляційні матеріали на основі твердих розчинів ZnSxSe₁₋x

Репозитарії

Схожі ресурси