Influência de defeitos e da qualidade superficial no desempenho do cristal de iodeto de mercúrio aplicado como detector de radiação

Os compostos semicondutores com alto número atômico e energia de banda proibida larga vêm sendo pesquisados como detectores de radiação X e gama, com alta resolução energética, operando à temperatura ambiente. O denominador comum dos materiais semicondutores, que operam à temperatura ambiente, é a d...

Full description

Access type:openAccess
Publication Date:2015
Main Author: João Francisco Trencher Martins
Advisor: Margarida Mizue Hamada
Referee: Jose Fernando Diniz Chubaci, Maria da Conceição Costa Pereira, Adir Janete Godoy dos Santos, Shigueo Watanabe
Document type: Doctoral thesis
Language:por
Published: Universidade de São Paulo
Program: Tecnologia Nuclear
Portuguese subjects:
English subjects:
Online Access:http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85131/tde-21122015-150412/
Portuguese abstract:Os compostos semicondutores com alto número atômico e energia de banda proibida larga vêm sendo pesquisados como detectores de radiação X e gama, com alta resolução energética, operando à temperatura ambiente. O denominador comum dos materiais semicondutores, que operam à temperatura ambiente, é a dificuldade em crescer cristais com pureza química elevada e boa estequiometria. O desenvolvimento deste tipo de detectores semicondutores de radiação é ainda um desafio tecnológico e tem deparado com muitos fatores limitantes, tais como: material de partida com qualidade compatível para o uso no crescimento de cristal, baixa estabilidade do detector ao longo do tempo, oxidação superficial e outras dificuldades relatadas na literatura, que limitam o seu uso. Neste trabalho, estabeleceu-se a metodologia de transporte físico de vapor (PVT) para a purificação e crescimento do cristal semicondutor de Iodeto de Mercúrio (HgI2). Cristais de HgI2 com orientação cristalina, estequiometria e morfologia da superfície adequadas foram obtidos por essa técnica. Uma redução nítida de impurezas após a purificação pode ser observada e o nível de impureza presente nos cristais não interferiu nas suas estruturas cristalinas. Uma boa morfologia com uniformidade nas camadas da superfície foi encontrada nos cristais, indicando uma boa orientação na estrutura cristalina. Um estudo inédito foi realizado no Laboratório da University of Freiburg, sob a coordenação do Prof. Michael Fiederle, com o intuito de aumentar a estabilidade do detector de HgI2 ao longo do tempo. A aplicação de diferentes tipos de resina polimérica para encapsulamento dos detectores HgI2 foi realizada e estudada, no intuito de proteger o cristal de HgI2 das reações com os gases atmosféricos e isolar eletricamente a superfície dos cristais. Quatro resinas poliméricas foram analisadas, cujas composições são: Resina n 1: 50% - 100% de heptano, 10% - 25% metilcicloexano, <1% de ciclo-hexano; Resina n2: 25% - 50% de etanol, 25% - 50% de acetona, <2,5% de acetato de etilo; Resina n3: 50% - 100% de acetato de metilo, 5% - 10% de n-butilo e Resina 4: 50% - 100% de etil-2- cianoacrilato. A influência dos tipos de resina polimérica utilizada na espectroscopia de desempenho do detector semicondutor HgI2 é, claramente, demonstrada. O melhor resultado foi encontrado para o detector encapsulado com resina n3. Um aumento de até 26 vezes no tempo de estabilidade, como detector de radiação, foi observado para os detectores encapsulados com resina em comparação com o detector não encapsulado, exposto à atmosfera.
English abstract:The semiconductor compounds with high atomic number and wide band gap energy have been investigated as X and gamma range radiation detectors, with high energy resolution, operating at room temperature. The common denominator of semiconductor materials, which operate at room temperature, is the difficulty to grow crystals with high chemical purity and good stoichiometry. The development of this type of radiation semiconductor detectors is still a technological challenge and it has faced many limiting factors, such as: starting material quality compatible for use in crystal growth, low stability of the detector over the time, surface oxidation and other difficulties reported in the literature, which limit their use. In this work, the Physical vapor transport (PVT) methodology for purification and growth of the Iodide Mercury (HgI2) semiconductor crystals was established. HgI2 crystals with crystalline orientation and suitable surface stoichiometry and morphology were obtained by this technique. A significant reduction of impurities after purification could be observed and the impurity levels present in crystals did not interfere in their crystal structures. A good morphology with uniformity in the surface layers of the crystals was found, indicating a good orientation in the crystal structure. A novel study was conducted at the Laboratory of the University of Freiburg, under the guidance of Prof. Michael Fiederle, in order to increase the stability of the HgI2 detector over the time. The application of different types of polymer resins for encapsulation of HgI2 detectors was carried out and studied, in order to protect the HgI2 crystal of reactions with the atmospheric gases and to isolate, electrically, the surface of these crystals. Four types of polymeric resins were evaluated, and each composition is : (a) Resin n1: 50% - 100% heptane 10% - 25% methyl cyclohexane, <1% cyclohexane; (b) Resin n2: 25% - 50% ethanol, 25% - 50% acetone <2.5% ethyl acetate; (c) Resin n3: 50% - 100% methyl acetate, 5% - 10% n-butyl and (d) Resin n 4: 50% - 100% ethyl-2- cyanoacrylate. The influence of the different types of polymer resins composition, used in the HgI2 detector encapsulation, is clearly demonstrated by the results of the gamma ray spectroscopy. The best results were found for the detector encapsulated with resin n3. An increase of up to 26 times in the stability period was observed for the detectors encapsulated with resin, compared to those which were not encapsulated and, therefore, had been exposed to the atmosphere.