Growth and Properties of Cd-doped PbI2 Crystals

Abstract

Кристалізацією з парової фази у закритій системі при тиску парів надстехіометричного йоду одержані монокристали PbI2 з вмістом кадмію 0,001-10 ат. %. Досліджено вплив концентрації кадмію у вихідній шихті і температурного градієнту на швидкість масоперенесення в системі та характеристики кристалів. Введення у систему PbI2-I2 кадмію в діапазоні концентрацій від 0,001 до 0,5 ат. % при оптимальних умовах вирощування чистих кристалів PbI2 зменшує швидкість масоперенесення не більше ніж на 2 %, концентрація Cd у вирощених монокристалах одного порядку з їх вмістом у вихідній шихті. Збільшення вмісту домішки у шихті від 0,5 до 5,5 ат. % зменшує швидкість масоперенесення вдвічі, вміст кадмію у монокристалах у 5 разів нижчий ніж у шихті, розміри монокристалів зменшуються. Зниження температурного градієнту в системі дозволило отримати кристали PbI2 з вмістом кадмію до 10 ат. %. Легування Cd сприяє росту монокристалів переважно у формі пластин і стрічок. За спектрами дифракції Х-променів встановлено, що одержані монокристали PbI2 належать до 4Нполитипу, визначені параметри гратки і об’єм елементарної комірки чистих і легованих кристалів. Встановлено вплив домішки Cd на спектри поглинання PbI2. Зростання вмісту кадмію у кристалах до 3 ат. % супроводжується короткохвильовим зсувом краю власного поглинання і збільшенням ширини забороненої зони.

PbI2 single crystals containing cadmium 0.001-10 at. % have been obtained by means of crystallization from vapor phase in an enclosed system with over-stoichiometric iodine vapor pressure. The influence of cadmium concentration in source burden material and the influence of temperature gradient upon the mass-transfer rate in the system and on the crystals’ characteristics have been researched. With addition of cadmium within the concentration range from 0.001 to 0.5 at. % into PbI2-I2 system at optimal growing conditions for pure PbI2 crystals, the mass-transfer rate is decreased by not more than 2 %, while Cd concentration in the single crystals grown remains of the same order as their content in the source material. The increase of dopant content from 0.5 to 5.5 at. % in the source material leads to two-fold decrease of mass-transfer rate compared to its initial value, with cadmium content in single crystals 5 times lower than in the source material and with decreased dimensions of single crystals. To obtain Cd-doped crystals up to 10 at. %, temperature gradient in the system has been decreased. Cd doping facilitates the growth of single crystals mainly in the form of plates and tapes. By means of X-ray diffraction spectra, it has been defined that PbI2 single crystals belong to 4H-polytype. The lattice parameters and the unit cell volume of pure and doped crystals have been determined. The influence of cadmium dopant upon the PbI2 absorption spectra has been defined. Increasing cadmium content in PbI2 crystals to 3 at. % results in a shift of intrinsic absorption edge into the short-wave area and increase of the band gap width.