Some sources of defects in α-HgI₂, the room temperature γ-ray detector

Abstract

In the course of a systematic optimization of the materials properties of α-HgI₂ crystals for room temperature γ- and X-ray detectors, we have investigated possible sources of defects and discuss briefly the possibility to supress them. Due to the particular structure of α-HgI₂, large amount of impurities, particularly hydrocarbons, can be absorbed invan der Waals layers and lattice channels. Purification by sublimation does not work due to the affinity of hydrocarbons to iodine and their easy re-absorption in the sublimate. “Lattice filtering” of the large concentration of hydrocarbons contained even in “suprapure” iodine has been performed using the close spaced lattice of CuI. Oxidation of hydrocarbons by reaction of oxygen with HgI₂ is another possibility for their removal.

Mass spectrometric investigations of a molecular beam of α-HgI₂ has solved the long disputed problem of the existence of nonstoichiometry: both excess of Hg or excess of I are possible. The removal of nonstoichiometry can be achieved by suitable thermal treatment only in the case of pure crystals. In the presence of hydrocarbons, the non-stoichiometric defects are fixed showing the predominant importance of hydrocarbons for α-HgI₂.

Investigation of the evaporation of α-HgI₂ with mass spectrometry at low temperatures (150>T>40 °C) shows a strong change of the enthalpy of evalporation at 67 °C whereas DSC does not show any peak at this temperature. It seems probable that this is due to a surface reconstruction which influences the evaporation but not the thermal bulk lattice effects which are detected by DSC.

Zusammenfassung

Während einer systematischen Optimierung der Eigenschaften von α-HgI₂ Kristallen für Zimmertemperatur γ- und X-Strahl-Detektoren haben wir die Ursachen von Defekten untersucht und die Möglichkeiten ihrer Eliminierung diskutiert. Als Folge der Schichtstruktur von α-HgI₂ können große Mengen von Verunreinigungen, speziell Kohlenwasserstoffe, in denvan der Waals Schichten und Kanälen des Gitters absorbiert werden. Reinigung durch Sublimation ist nicht wirkungsvoll, da die Kohlenwasserstoffe eine große Affinität zum Jod haben und im Kondensat wieder absorbiert werden. Zur Beseitigung von Kohlenwasserstoffen, die sogar im Jod „Suprapur“ (Merck) enthalten sind, haben wir eine „Filtration“ durch das dicht gepackte Gitter von CuI durchgeführt. Die Oxidation von Kohlenwasserstoffen durch die Reaktion von HgI₂ mit Sauerstoff ist eine andere Möglichkeit der Reinigung.

Massenspektrometrische Untersuchungen eines Molekularstrahles von HgI₂ haben die seit langer Zeit erörterte Frage über die Nichtstöchiometrie von HgI₂ beantwortet: sowohl Überschuß von Hg als auch Überschuß vom Jod sind möglich. Jedoch kann nur im Falle von reinem HgI₂ Kristallen die Überschüssige Komponente durch eine thermische Behandlung beseitigt werden. In Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen werden die nichtstöchiometrischen Defekte stabilisiert, was auf eine wichtige Rolle der Kohlenwasserstoffe hinweist.

Die Untersuchung der Verdampfung von HgI₂ bei tieferen Temperaturen (150>t>40 °C) zeigt eine starke Änderung der Sublimationsenthalpie bei 67 °C, wobei kein Peak bei dieser Temperatur mittels DSC zu messen ist. Eine mögliche Erklärung ist, daß dieser Effekt durch eine Oberflächenrekonstruktion verursacht wird, die die Verdampfung, aber nicht die Volumeneigenschaften der Kristalle beeinflußt und deshalb durch DSC nicht nachgewiesen werden kann.