Modelización Numérica, Síntesis Monocristalina y Estudio de Propiedades del CdZnTe: Material Sensible a las Radiaciones X y Г
2012
| Tesista | Ana María MARTINEZ Ingeniera Química - Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires - Argentina Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dra. Alicia Beatriz TRIGUBÓ. CITEDEF, CONICET - Argentina Dra. Noemí E. WALSÖE DE RECA. CITEDEF, UNSAM, CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | Centro de Investigación en Sólidos - CITEDEF - Argentina Gerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 14/12/2012 |
| Jurado | Dr. Osvaldo FORNARO. IFIMAT, UNCPBA, CONICET - Argentina Dra. Ana María LLOIS, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina Dra. Alicia SARCE. CNEA, UNSAM - Argentina |
| Código | IS/TD 67/12 |
Título completo
Modelización Numérica, Síntesis Monocristalina y Estudio de Propiedades del CdZnTe: Material Sensible a las Radiaciones X y Г
Resumen
El Cd1-yZnyTe (0=< y =<0,1) (CZT) es un semiconductor con aplicaciones como detector de radiación X y Г a temperatura ambiente y como sustrato para crecer HgCdTe.
En esta Tesis se ha estudiado, experimentalmente y mediante simulación por computadora, el crecimiento de lingotes de CZT mediante la técnica de Bridgman con volúmenes monocristalinos extensos de elevada calidad cristalina.
Se calcularon las propiedades fisicoquímicas del CZT en función de la temperatura usando métodos ab-initio. Las propiedades del CZT a 0 K, se calcularon usando los programas WIEN2k y SIESTA; y la variación de las propiedades del CdTe con la temperatura usando GIBBS2. Se destaca la excelente aproximación del band gap calculado al compararlo con los valores experimentales; se aprecia que a mayor contenido de Zn en el ternario mayor es el band gap. Propiedades del CdTe calculados en función de la temperatura fueron comparables a los reportados en la bibliografía y a los encontrados en el presente trabajo, esto permitirá cálculos posteriores del CZT en función de la temperatura y abordar la modelización del proceso de solidificación.
En la modelización del proceso de solidificación del CZT, empleando el método de elementos finitos, se estudió la influencia de los parámetros del proceso; esto permitió efectuar un menor número de pruebas experimentales, implicando un menor costo y tiempo. Se obtuvo un modelo que permitió predecir la forma de la interfase en las aleaciones de CZT, que se relaciona con la calidad cristalina del material, para distintas velocidades de traslación de la cápsula. Estos resultados permitieron seleccionar los parámetros en los experimentos.
Se crecieron lingotes de CdTe aleados con 2% y 5% at. De Zn de buena calidad cristalina a 1,66 mm/h (en general con dos granos, uno de mayor tamaño ocupando aproximadamente el 75% de la superficie de la oblea), con un gradiente de solidificación en la interfase de 10 °C/cm y un sobrecalentamiento de 20 °C, que permitió reducir la concentración de precipitados e inclusiones de Te a un valor aceptable, con una notable homogeneidad en composición de Zn en obleas centrales de los lingotes y obteniéndose una transmitancia del 67% en el rango del infrarrojo, superior al de las muestras comerciales analizadas.
Complete Title
Numerical Modeling, Single Crystalline Synthesis and Properties Assessment of CdZnTe: Sensitive Material for X and Г radiation
Abstract
Cd1-yZnyTe (0=< y =<0,1) (CZT) is a semiconductor with applications such as X and Γ radiation detector to work at room temperature, and in applications as substrates for epitaxial growth of HgCdTe which is used in the detection of IR radiation.
In this work it is experimentally studied and also studied by computer simulation the growth of CZT ingots with large volumes of high quality single crystalline crystals by Bridgman technique at different rates to find the synthesis conditions leading to a material with the necessary structural and electrical quality for designated uses.
The physicochemical properties of CZT as a function of the temperature were calculated by using ab-initio methods. Several properties of CZT were obtained at 0 K. Those properties were calculated using the softwares WIEN2k and SIESTA, and it is remarkable the excelent fitting of the modelled band gap values and the published experimental ones. It was observed that when the Zn content increases, the value of the band gap also increases. The CdTe properties, as a function of the temperature, were calculated using the GIBBS2 software based on the results at 0 K. These values were in good agreement with values reported in other bibliographical literature and also with values obtained in this work. These results will be used in future calculations of the CZT properties as a function of the temperature and also in the modelling of the solidification process.
Another fundamental aspect studied in this thesis was the solidification process of CZT single crystals by using numerical simulation methods to determine the influence of process parameters to achieve the best growth conditions. It made possible to minimize the number of experimental tests reducing the time and the cost of the assessment. It was obtained a model able to predict the interface shape of the CZT alloys for different rates of the ampoule descent which is related to the semiconductor crystalline quality. These results will be used to select the best experimental parameters.
Ingots of CdTe alloyed with 2% at. And 5% at. Zn were grown with excellent crystalline quality at a rate of 1.66 mm / h, an interface solidification gradient of 10°C/cm and an overheating of 20 ° C above the CZT melting point. The latter condition reduced the precipitates and inclusions concentration to an acceptable value, with remarkable composition homogeneity in central wafers of Zn alloyed ingots and with an average value of 67% in the optical transmission which results higher than that of the commercial analyzed samples. In general there are two different grains, with a larger grain that can cover three quarters of the wafer surface allowing the use of this material for devices.
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