1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 2, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 2, стр. 119-124

Зависимость свойств монокристалла AgGaS2 от параметров ионизирующего излучения

С. М. Асадов 1, *, С. Н. Мустафаева 2, К. И. Келбалиев 1

1 Институт катализа и неорганической химии Национальной академии наук Азербайджана
AZ-1143 Баку, пр. Г. Джавида, 113, Азербайджан

2 Институт физики Национальной академии наук Азербайджана
AZ-1143 Баку, пр. Г. Джавида, 131, Азербайджан

* E-mail: salim7777@gmail.com

Поступила в редакцию 05.10.2021
После доработки 06.11.2021
Принята к публикации 11.11.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся рентгенодозиметрические характеристики монокристаллов AgGaS2, выращенных методом Бриджмена–Стокбаргера. Коэффициент рентгенопроводимости полученных образцов AgGaS2 при 298 К варьируется в пределах 0.97–10.63 мин/Р при эффективной жесткости излучения Va = 25–50 кэВ с мощностью дозы E = 0.75–78.05 Р/мин. Зависимость стационарного рентгенотока от дозы рентгеновского излучения в монокристаллах AgGaS2 носит степенной характер.

Ключевые слова: монокристаллы, AgGaS2, радиационный материал, рентгенодозиметрические характеристики

ВВЕДЕНИЕ

Тройные соединения с общей формулой ${{{\text{A}}}^{{\text{I}}}}{{{\text{B}}}^{{{\text{III}}}}}{\text{C}}_{2}^{{{\text{VI}}}}$ (A = Cu, Ag; B = Al, Ga, In, Tl и C = S, Se, Te) перспективны для создания чувствительных к ионизирующему излучению полупроводниковых материалов на их основе. Анализ физических свойств тройных cоединений ${{{\text{A}}}^{{\text{I}}}}{{{\text{B}}}^{{{\text{III}}}}}{\text{C}}_{2}^{{{\text{VI}}}}$ указывает на то, что эффект внешних воздействий на кристалл, в частности рентгеновского излучения, может существенно зависеть от способа синтеза и химического состава. Кроме того, на свойства заметно влияет метод выращивания монокристаллов [1–6].

Среди практически важных тройных соединений ${{{\text{A}}}^{{\text{I}}}}{{{\text{B}}}^{{{\text{III}}}}}{\text{C}}_{2}^{{{\text{VI}}}}$ кристаллы тиогаллата серебра (AgGaS2) занимают особое место [7–11]. Так, например, в работе [10] приведены результаты коллоидного синтеза и фотокаталитические свойства орторомбической модификации (a =  6.577(4), b = 8.066(5) и c = 6.451(4) Å) нанокристаллов AgGaS2. Показано, что значения запрещенной зоны (Eg) орторомбической (2.69–2.71 эВ) и тетрагональной (2.687–2.71 эВ) модификаций AgGaS2 [11] близки.

Возможность использования кристаллов AgGaS2 в качестве датчиков излучений различного типа [7–12] делает актуальным исследование процессов, протекающих в них при различных воздействиях [13–15].

Физические свойства радиационных материалов очень чувствительны к присутствию дефектов [16–18]. Однако до сих пор отсутствуют сравнительные данные по рентгенодозиметрическим характеристикам монокристаллов AgGaS2, выращенных разными методами [19–24].

Целью данной работы являлось определение закономерностей изменения рентгенодозиметрических характеристик монокристаллов AgGaS2, выращенных методом Бриджмена–Стокбаргера, в зависимости от параметров ионизирующего излучения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для синтеза соединения AgGaS2 использовали стехиометрическое количество исходных элементарных компонентов: Ag (“ос. ч.”), Ga (5N) и S (OСЧ 15-3 ТУ 6-09-2546-77). Исходные компоненты сплавляли в вакуумированной до 10–3 Па и запаянной кварцевой ампуле по методике [7–12]. Синтез проводили в горизонтальной печи, температуру повышали со скоростью 50 К/ч до 1275 К. Реакция между компонентами протекает в течение 4 ч. Индивидуальность синтезированного AgGaS2 подтверждена методами дифференциального термического анализа (ДТА, установка Jupiter STA 449 Netzsch) и рентгенофазового анализа (РФА, дифрактометр Bruker D8 Advance). Данные ДТА показывают, что синтезированные поликристаллы AgGaS2 плавятся при 1271 ± 3 К. Авторы [22] для температуры плавления соединения AgGaS2 приводят значение 1264 ± 3 К.

Фазовый состав и структура выращенных кристаллов определены методом порошковой рентгеновской дифракции. Параметры решетки определяли полнопрофильным анализом дифрактограммы (методом Ритвельда) с использованием программного обеспечения Topas R. По данным РФА, синтезированное соединение AgGaS2 кристаллизуется в тетрагональной сингонии типа халькопирита (пр. гр. $I\bar {4}2d$) с параметрами решетки: a = 5.7571 Å, c = 10.3110 Å (см. табл. 1).

Таблица 1.  

Структурные параметры кристаллической решетки AgGaS2

Пр. гр. Параметры решетки, Å
настоящая работа литература
$I\bar {4}2d$ a = 5.7571
с = 10.3110 		a = 5.7572 c = 10.3036 [17]
    a = 5.7721 c = 10.2967 [21]

Из синтезированных поликристаллов AgGaS2 методом Бриджмена–Стокбаргера выращивали монокристаллы [7–12]. При направленной кристаллизации поликристаллы AgGaS2 загружали в прозрачную кварцевую ампулу роста, которую помещали в двухзонную вертикальную печь установки для выращивания монокристаллов. Температурный режим в печи поддерживался с помощью высокоточного регулятора температуры ВРT-3; градиент температуры на фронте кристаллизации в печи составлял 3 К/мм. Температуру верхней зоны (камеры) печи поднимали выше температуры плавления соединения AgGaS2 (Tпл = 1271 ± 3 К) и включали устройство для перемещения ампулы. Ампула с расплавленным материалом AgGaS2 опускалась вертикально вниз во вторую камеру печи со скоростью 0.5 мм/ч и там охлаждалась. После кристаллизации AgGaS2 печь выключали и охлаждали до комнатной температуры вместе с образцом AgGaS2.

По данным РФА, выращенные монокристаллы AgGaS2, как и поликристаллы, имеют тетрагональную сингонию с аналогичными параметрами решетки (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1.

Схемы рентгенограмм монокристалла AgGaS2, выращенного методом Бриджмена–Стокбаргера (а), и поликристаллов (б).

Методика измерения рентгенодозиметрических характеристик монокристаллических образцов AgGaS2 была аналогична описанной в работах [7–17]. Для измерения были приготовлены образцы, которые имели плоскопараллельную форму. Измерения выполнены для монокристалла AgGaS2 с размерами 8 × 3 × 1 мм, ориентированного по грани (001) оси с.

В качестве источника рентгеновского излучения использовали установку типа УРС с трубкой БСВ-2(Cu). Интенсивность рентгеновского излучения регулировали посредством вариации тока в трубке при каждом заданном значении ускоряющего потенциала. Абсолютные значения доз рентгеновского излучения измеряли дозиметром-радиометром ДРГЗ-02. Изменение величины тока в монокристаллических образцах под действием рентгеновского излучения регистрировали в режиме малого нагрузочного сопротивления с помощью электрометрического усилителя типа У5-9. Все измерения проведены при T = 298 K.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследуемые образцы AgGaS2 проявляли высокую чувствительность к рентгеновскому излучению. Коэффициент рентгенопроводимости, характеризующий рентгеночувствительность образца, определяли по формуле

(1)
${{K}_{\sigma }} = \frac{{{{\sigma }_{E}} - {{\sigma }_{0}}}}{{{{\sigma }_{0}}E}},$
где σE – проводимость образца под действием рентгеновского облучения мощностью дозы E (Р/мин); σ0 – темновая удельная проводимость образца.

Pентгеночувствительность образца определяли по формуле

$K = \frac{{\Delta {{I}_{{E,0}}}}}{{UE}},$(2)
где ΔIE,0 = IE – I0; IE – величина тока в образце при мощности дозы рентгеновского облучения E (Р/мин); I0 – темновой ток; U – приложенное к образцу электрическое напряжение.

По формуле (1) определены значения коэффициентов рентгенопроводимости образцов монокристаллов AgGaS2 при различных значениях ускоряющего потенциала Va (или эффективной жесткости излучения) на рентгеновской трубке и соответствующих дозах рентгеновского излучения.

В табл. 2 приведены значения коэффициентов рентгенопроводимости для образцов монокристаллов AgGaS2 при различных мощностях доз рентгеновского излучения (E = 0.75–78.05 Р/мин) и Va = 25–50 кэВ (T = 298 K). Из табл. 2 следует, что коэффициент рентгенопроводимости AgGaS2 изменяется в интервале 0.97–10.63 мин/Р.

Таблица 2.  

Коэффициенты рентгенопроводимости (Kσ) монокристалла AgGaS2 при разных мощностях дозы излучения и ускоряющих напряжениях на трубке (Va)

E, Р/мин Va, кэВ Kσ, мин/Р E, Р/мин Va, кэВ Kσ, мин/Р
0.75 25 1.33 7.0 40 0.97
1.26 3.18 8.89 1.72
1.47 4.08 12.6 1.91
1.68 5.06 16.38 1.92
1.82 6.87 20.09 2.06
2.03 7.88 23.8 2.07
2.24 8.49 27.58 2.32
2.38 9.04 31.29 2.37
2.59 9.27 35.07 2.43
2.73 10.63 38.78 2.46
1.75 30 2.29 10.00 45 1.15
2.73 2.75 13.37 1.24
3.64 3.50 19.32 1.37
4.62 3.57 25.34 1.54
5.53 3.80 31.29 1.57
6.44 3.83 37.24 1.77
7.42 4.25 43.26 1.79
8.33 4.38 49.21 1.86
9.31 4.46 55.23 1.88
10.22 4.55 61.18 1.95
3.75 35 1.67 13.05 50 1.07
5.18 2.22 17.01 1.38
7.0 2.51 24.64 1.41
8.82 2.72 32.27 1.44
10.64 2.84 39.9 1.60
12.46 2.93 47.53 1.72
14.28 3.08 55.16 1.75
16.1 3.15 62.79 1.74
17.92 3.24 70.42 1.83
19.74 3.29 78.05 1.85

Примечание. T = 298 К.

Установлено, что значение коэффициента рентгенопроводимости монокристаллов AgGaS2 резко увеличивается по мере увеличения мощности дозы излучения при Va = 25 кэВ. С увеличением эффективной жесткости рентгеновского излучения в монокристаллическом образце AgGaS2 зависимость также была возрастающей, но более пологой и при Va = 50 кэВ величина Kσ слабо зависела от E.

Аналогичные закономерности были получены и для дозовой зависимости коэффициента рентгеночувствительности K монокристаллов AgGaS2. Значения K, вычисленные по формуле (2) при различных мощностях дозы и эффективных жесткостях рентгеновского излучения, приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Зависимости коэффициента рентгеночувствительности от мощности дозы облучения для монокристалла AgGaS2 при различных ускоряющих напряжениях на трубке: Va = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 кэВ (6), T = 298 К.

Изучены также рентген-амперные характеристики монокристаллов AgGaS2 (рис. 3), из которых следует, что зависимость стационарного рентгенотока от мощности дозы рентгеновского излучения носит степенной характер:

$\Delta {{I}_{{E,0}}} = {{I}_{E}} - {{I}_{0}} \sim {{E}^{\alpha }}.$(3)
Рис. 3.

Рентген-амперные характеристики монокристалла AgGaS2 при различных ускоряющих напряжениях на рентгеновской трубке: Va = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 кэВ (6), T = 298 К.

Значения α для монокристаллического образца AgGaS2 составляли 2–2.5 при Va = 25 кэВ и 1.2–1.3 при Va = 30–50 кэВ, т.е. рентген-амперные характеристики по мере увеличения Va стремятся к линейности (α → 1), что важно с практической точки зрения.

При Va = 25 кэВ рентген-амперная зависимость монокристалла AgGaS2 при малых дозах излучения была квадратичной, а затем значение α составляло 0.85. При сравнительно больших дозах показатель степени α по мере увеличения эффективной жесткости рентгеновского излучения уменьшался до 0.6 (рис. 4).

Рис. 4.

Показатель степени (α) зависимости рентгенотока монокристалла AgGaS2 от дозы облучения как функция эффективной жесткости (Va).

На рис. 5 показана зависимость рентгенотока (разность между величиной тока, протекающего через образец под воздействием рентгеновского излучения, и темнового тока) в образце AgGaS2 от эффективной жесткости рентгеновского излучения при мощности дозы E = 10 Р/мин. Видно, что с увеличением Va рентгеноток в монокристалле AgGaS2 уменьшается.

Рис. 5.

Зависимость рентгенотока в монокристалле AgGaS2 от эффективной жесткости (Va) рентгеновского излучения.

Такая же спадающая зависимость от Va была получена и для коэффициента рентгеночувствительности (отношение рентгенотока к темновому току). Так, на рис. 6 показана зависимость K(Va) для AgGaS2 при E = 10 Р/мин.

Рис. 6.

Зависимость коэффициента рентгеночувствительности монокристалла AgGaS2 от эффективной жесткости рентгеновского излучения мощностью дозы E = 10 Р/мин.

Причину наблюдаемых закономерностей K (E, Va) можно объяснить следующим образом. При малых ускоряющих потенциалах рентгенопроводимость AgGaS2 обусловлена преимущественно поглощением излучения приповерхностным слоем образца. С увеличением ускоряющего потенциала повышается эффективная жесткость рентгеновского излучения, благодаря чему растет глубина его проникновения в AgGaS2. При этом происходит преимущественно поглощение-генерация свободных рентгеноносителей в объеме AgGaS2 и растет доля проходящего через кристалл излучения. Вследствие этого по мере увеличения ускоряющего потенциала наблюдается уменьшение коэффициента рентгеночувствительности и его зависимости от мощности дозы излучения.

Изучена также кинетика рентгенотока в образцах AgGaS2. Обнаружено, что при отключении рентгеновского излучения уровень темнового тока в образцах AgGaS2 устанавливался почти сразу. Это создает возможность использования монокристаллов AgGaS2 в качестве активных элементов безынерционных рентгендетекторов с высоким коэффициентом рентгеночувствительности, не требующих охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что коэффициент рентгеночувствительности образцов AgGaS2, выращенных методом Бриджмена–Стокбаргера, варьируется в пределах 1.3 × 10–11–1.4 × 10–10 А мин/(В Р) при эффективной жесткости излучения Va = 25–50 кэВ с мощностью дозы E = 0.75–78.05 Р/мин при 298 К. Зависимость стационарного рентгенотока от мощности дозы рентгеновского излучения носит степенной характер: $\Delta {{I}_{{E,0}}} \sim {{E}^{\alpha }}.$ Рентген-амперные характеристики AgGaS2 по мере увеличения Va стремятся к линейности (показатель степени α → 1).

Список литературы

  1. Мустафаева С.Н., Асадов М.М., Гусейнов Д.Т. Рентгенодозиметрические характеристики монокристаллов CdIn2S4〈Cu〉 // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81. № 1. С. 144–147.

  2. Mustafaeva S.N., Asadov M.M., Guseinov D.T. X-ray dosimetry of Copper-Doped CdGa2S4 Single Crystals // J. Semicond. Phys., Quantum Electronics and Optoelectronics. 2012. V. 15. № 4. P. 358–359.

  3. Мустафаева С.Н., Асадов М.М., Гусейнов Д.Т. Рентгеноэлектрические свойства кристаллов CdIn2S4〈Fe〉 // Неорган. материалы. 2013. Т. 49. № 7. С. 689–692.

  4. Mustafaeva S.N., Asadov M.M., Guseinov D.T. Enhancing Roentgensensitivity of Gold-Doped CdIn2S4 Thiospinel for X-ray Detection Applications // J. Mater. 2015. Article ID 956013. 4 p. https://doi.org/10.1155/ 2015/956013

  5. Мустафаева С.Н., Асадов М.М., Гусейнов Д.Т. Рентгеноэлектрические свойства монокристалла CdIn2S4 // Перспективные материалы. 2010. № 1. С. 45–48.

  6. Мустафаева С.Н., Асадов М.М., Гусейнов Д.Т. Рентгенодозиметрические свойства монокристалла CdGa2S4, выращенного из газовой фазы // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 6. С. 663–665.

  7. Асадов М.М., Мустафаева С.Н. Рентгендозиметрия монокристалла AgGaS2 // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 9. С. 1259–1262.

  8. Асадов С.М., Мустафаева С.Н., Гусейнов Д.Т. Рентгендозиметрические характеристики монокристалла AgGaS2, полученного методом химических транспортных реакций // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 5. С. 457–462.

  9. Асадов С.М., Мустафаева С.Н., Гусейнов Д.Т., Келбалиев К.И. Зависимость рентгенодозиметрических характеристик монокристаллов AgGaS2xSe2 – 2x от состава // Журн. техн. физики. 2018. Т. 88. Вып. 4. С. 561–565.

  10. Fan C.-M., Regulacio M.D., Ye C., Lim S.H., Zheng Y., Xu Q.-H., Xu A.-W., Han M.-Y. Colloidal Synthesis and Photocatalytic Properties of Orthorhombic AgGaS2 Nanocrystals // Chem. Commun. 2014. V. 50. № 54. P. 7128–7131. https://doi.org/10.1039/c4cc01778a

  11. Jang J.S., Borse P.H., Lee J.S., Choi S.H., Kim H.G. Indium Induced Band Gap Tailoring in AgGa1 –xInxS2 Chalcopyrite Structure for Visible Light Photocatalysis // J. Chem. Phys. 2008. V. 128. № 15. P. 154717–6. https://doi.org/10.1063/1.2900984

  12. Uematsu T., Doi T., Torimoto T., Kuwabata S. Preparation of Luminescent AgInS2–AgGaS2 Solid Solution Nanoparticles and Their Optical Properties // J. Phys. Chem. Lett. 2010. V. 1. № 22. P. 3283–3287. https://doi.org/10.1021/jz101295w

  13. Zhang Y., Wang R., Kang Z., Qu Li., Jiang Y., Gao J.-Y., Andreev Y.M., Lanskii G.V., Kokh K.A., Morozov A.N., Shaiduko A.V., Zuev V.V. AgGaS2- and Al Doped GaSe Crystals for IR Applications // Opt. Commun. 2011. V. 284. P. 1677–1681. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2010.11.067

  14. Route R.H., Felgelson R.S., Raumakers R.J., Choy M.M. Elimination of Optical Scattering Defects in AgGaS2 and AgGaSe2 // J. Cryst. Growth. 1976. V. 33. № 2. P. 239–245. https://doi.org/10.1016/0022-0248(76)90049-X

  15. Fan Y.X., Eckardt R.C., Byer R.L., Route R.K., Feigelson R.S. AgGaS2 Infrared Parametric Oscillator // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45. № 4. P. 313–315. https://doi.org/10.1063/1.95275

  16. Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science. Metals and Alloys. Second Ed. N.Y.: Springer, 2017. 1014 p. ISBN: 978-1-4939-3438-6

  17. Abrahams S.C., Bernstein J.L. Crystal Structure of Piezoelectric Nonlinear-Optic AgGaS2 // J. Chem. Phys. 1973. V. 59. № 4. P. 1625–1629. https://doi.org/10.1063/1.1680242

  18. Marceddu M., Anedda A., Carbonaro C. M., Chiriu D., Corpino R., Ricci P.C. Donor-Acceptor Pairs and Excitons Recombinations in AgGaS2 // Appl. Surf. Sci. 2006. V. 253. P. 300–305. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.06.002

  19. Noda Y., Kurasawa T., Sugai N., Furukawa Y. Growth of AgGaS2 Single Crystals by Chemical Transport Reaction // J. Cryst. Growth. 1990. V. 99. P. 757–761. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(08)80021-8

  20. Noda Y., Kurasawa T., Furukawa Y. Growth of AgGaS2 Single Crystals by Chemical Transport with Halogen // J. Cryst. Growth. 1991. V. 115. P. 802–806. https://doi.org/10.1016/0022-0248(91)90849-Z

  21. Prabukanthan P., Dhanasekaran R. Stoichiometric Single Crystal Growth of AgGaS2 by Iodine Transport Method and Characterization // Cryst. Res. Technol. 2008. V. 43. № 12. P. 1292–1296. https://doi.org/10.1002/crat.200800055

  22. Mochizuki K., Masumoto K. Melting Point of AgGaS2 // J. Cryst. Growth. 1989. V. 98. P. 855–856. https://doi.org/10.1016/0022-0248(89)90329-1

  23. Schmidt P., Binnewies M., Glaum R., Schmidt M. Chemical Vapor Transport Reactions–Methods, Materials, Modeling / Ed. Sukarno O.F. // Advanced Topics on Crystal Growth. Open access peer-reviewed. 2013. Chapter 9. P. 227–305. ISBN: 978-953-51-6307-7. https://doi.org/10.5772/46151

  24. Binnewies M., Schmidt M., Schmidt P. Chemical Vapor Transport Reactions – Arguments for Choosing a Suitable Transport Agent // Z. Anorg. Allg. Chem. 2017. V. 643. P. 1295–1311. https://doi.org/10.1002/zaac.201700055

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал