Growth and characterization of InSe semiconductor crystals via zone-melting directional solidification method
Year: 2025
Type: article
Abstract: 半导体一直是空间材料科学研究的重点领域，充分利用空间站独特的微重力高真空等特殊环境开展深入研究已成为突破材料性能极限、加速新型半导体材料研发的重要途径。硒化铟（InSe）是一种引人注目的新型半导体材料，在超快光/电子器件领域具有巨大应用前景。本论文立足前期空间站已获得高质量InSe晶体为基础，拟进一步开展稀土Er掺杂InSe晶体研究，重点报道了相关地基制备工艺、结构表征及性能测试等方面的研究进展，旨在为后续微重力实验提供可靠的技术方案和理论支撑。利用液滴法观察熔体在石英基底上的凝固形貌，发现随着Er含量逐渐升高至1.0mol%，InSe与石英基底的润湿角从111.7°降低至76.4°，说明Er掺杂显著降低了InSe熔体与石英之间的表面张力，这种润湿性变化对空间实验样品采取特殊外形处理具有重要指导价值，尤其是实现熔体与石英管之间出现脱壁现象。采用温度梯度约35°C/cm的区熔定向凝固法制备了本征和1.0mol% Er掺杂InSe晶体，它们均未与石英坩埚发生化学反应，说明该含量的Er掺杂并不影响坩埚完整性，这对保障未来空间实验安全非常重要。XRD结合拉曼光谱分析表明这两种晶体均属于γ相结构，化学腐蚀法揭示晶体位错密度达~104 cm-2量级，远大于前期空间生长的InSe晶体位错密度，再次说明了利用空间微重力环境生长高质量InSe晶体的重要性。显微维氏硬度法测试表明本征InSe的Hv硬度值为7.3MPa，低于Er掺杂InSe晶体的8.32MPa，这主要归因于Er引起了晶格畸变和弹性应变场强化。本征InSe及Er掺杂InSe晶体均属于N型半导体材料，Er掺杂提升了载流子浓度，但迁移率下降导致电导性能降低，同时晶格硬化效应使热导率在整个温区内明显增强。总体而言，该工作可为后续空间Er掺杂InSe晶体生长实验安全性、技术可行性及高质量晶体生长关键工艺条件优化提供重要指导，从而最大限度地提高空间实验的成功率和科学价值。
Source: Scientia Sinica Technologica
Authors: HongHui WU, XinYu LU, Yi WU, Hao XU, XiaoFei YUE, SiQi LIN, XueChao LIU, Min JIN
Language: English
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4414392215