认识碘化铅

认识2PbI
近些年来碘化铅(2PbI )备受人们的关注，是因为其具有较高的原子系数、较大的禁带宽度、电阻率高和载流子迁移率寿命极大等特点，使之成为了制备室温X 射线和γ射线探测器的理想材料。

碘化铅晶体是一种极有前途的室温核辐射探测器材料，可用于探测1KeV-1MeV 范围内的α射线和γ射线，并且在制作大面积X 射线成像阵列方面也具有非常大的潜能。

由碘化铅晶体制成的探测器具有较高的能量分辨率和探测效率，可在较大温度范围内(-200℃-130℃)使用和保存，与同类型的探测器相比具有明显优势。

因此，碘化铅晶体成为近年来的研究室温核辐射探测器新材料的重点之一。

下面将从碘化铅的结构、性质和用途等方面来进行简单的介绍。

一、碘化铅的结构
碘化铅的分子式为2PbI ，英文名称为Lead iodide 。

它的晶体结构①非常复杂，据报道的已经超过二十种异构体②，通常见到的有三种结构，即：2H ，4H 和12R 。

2H 结构的晶体在室温下具有稳定性，因此纯的碘化铅在一般情况下都是这种结构，它属于六方晶系③，具有六角密堆积结构，分子结构为ABA 型， 如图1：
图1 碘化铅的分子结构
层与层之间由分子间作用力④维持，其中六方最密排列的铅阳离子层夹在两层碘阴离子层中。

把贯穿铅和碘离子的方向定为C 轴，则材料沿此方向与沿层面方向的生长速度相比要慢得多。

因此，这样的晶体结构将使平行于层面方向的电子远大于沿C 轴方向。

在一定的条件下不同结构下的晶体会发生转变。

如在423K 的温度下退火，2H 结构的2PbI 就会转变为4H 结构的2PbI ，这可能是有杂质侵入的原因；在367K 附近，2H 和12R 结构之间也能发生转变，这种转变对晶体结构中的原子堆
砌方式及整个物质的密度都会有影响。

不同的晶体结构具有不同的原子堆积方式。

名词释义：
① 和非晶体两大类，固态的金属与合金大都是晶体。

晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的，而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起。

金属及合金在大多数情况下都以结晶状态使用。

晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。

② 异构体：异构体是指化学式相同而结构不同的化合物。

异构体的化学组成虽然相同，由于其化学机构（即原子在空间排列的方式）不同，使它们的物理、化学性质或毒性有很大差异。

③ 六方晶系(hexagonal system)：在惟一具有高次轴的c 轴主轴方向存在六重轴或六重反轴特征对称元素的晶体归属六方晶系。

六方晶系特征对称性决定了六方晶系晶胞对应的基向量特点是：副轴和均与主轴垂直，二个副轴基向量的大小相等，副轴间的夹角为120°，即其晶胞参数具有a=b≠c ，α=β=90°，γ=120°的关系。

有一个6次对称轴或者6次倒转轴，该轴是晶体的直立结晶轴C 轴。

另外三个水平结晶轴正端互成120度夹角。

轴角α=β=90°，γ=120°，轴单位a=b≠c 。

④ 分子间作用力：分子间作用力又被称为范德华力，按其实质来说是一种电性的吸引力，因此考察分子间作用力的起源就得研究物质分子的电性及分子结构。

二、碘化铅的性质
1、物理性质
(1) 碘的化合物大多具有比较深的颜色，而且都不宜长久暴露在阳光之下，但2PbI 一般为橙黄色的粉末或金黄色的板状结晶(如图2)，无臭，有毒。

2PbI 的熔点为402℃，沸点为954℃，在冷水中(0℃)的溶解度①为0.0442%，
图 2 碘化铅
在100℃时的溶解度为0.436%，可溶于碘化钾(KI )和碘化钠(NaI )的水溶液，而不溶于水和乙醇。

(2) 组成2PbI 的两种元素碘(I)和铅(Pb)的原子序数②高(z Pb = 82, z I = 53),晶体密度大(ρ = 6.16g.3-cm )，这表明它与高能光子间有较强的光电相互作用，对1Kev —1Mev 之间的X 射线和γ射线有较高的阻止本领，用碘化铅晶体制成的探测器具有较高的探测效率③，俘获90%的60kev 需要的厚度为0.4cm 。

(3) 2PbI 晶体的禁带宽度④大(E > 2.30eV)，理论电阻率⑤为1012Ω.cm 量级，与Ge 、Si 等材料相比，2PbI 晶体可在室温下使用和保存；与CdTe 和HgI 2制成的探测器相比，在室温相同偏置电压作用下，2PbI 探测器漏电流较小，并且相对使用的温度范围较广。

(4) 2PbI 晶体中电子和空穴迁移率⑥寿命较大(τμe e =510-cm2／V ，
τμe
e =2x 610-cm2／V)、电子和空穴的寿命均在610-量级附近，电荷收集效率较高。

2、 化学性质
2PbI 晶体具有较好的稳定性，不容易潮解⑦，蒸汽压低，不易挥发。

在空气中能被阳光分解。

加热则从砖红色变为红褐色或棕色，冷却则恢复到原来的颜色，并且析出闪亮的黄色小片状结晶。

名词释义：
①溶解度：在一定的温度和压力下，在100g 溶剂中所能溶解溶质最大的克数。

②原子序数：是指元素在周期表中的序号。

数值上等于原子核的核电荷数（即质子数）或 中性原子的核外电子数，例如碳的原子序数是6，它的核电荷数(质子数)或核外电子数也是6。

原子序数是一个原子核内质子的数量。

拥有同一原子序数的原子属于同一化学元素。

原子序数的符号是Z 。

原子序数 = 核电荷数 = 核外电子数 = 质子数（在没有形成离子的情况下） ③探测效率：探测器效率是表征核辐射测量装置或仪器性能的指标之一。

由探测器测到的粒子数，与在同一时间间隔内通过辐射源发射到探测器上的该种粒子数的比值表示。

④禁带宽度：禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。

要导电就要有自由电子存在。

自由电子存在的能带称为导带（能导电）。

被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

锗的禁带宽度为0.66ev；硅的禁带宽度为1.12ev；砷化镓的禁带宽度为1.43ev。

禁带非常窄就成为金属了，反之则成为绝缘体。

半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。

⑤电阻率:某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。

电阻率的单位是欧姆·米(Ω·m) 或欧姆·毫米。

⑥离子迁移率：一种产生离子质谱信息的方法，包括下列步骤：产生气态离子团；沿第一轴及时分离气态离子团，形成多个离子组，各离子组具有与其相关的单一离子迁移率；沿垂直于第一轴的第二轴顺序地及时分离至少一些离子组，形成多个离子小组，各离子小组具有与其相关的单一离子质量；和处理至少一些离子小组，由此确定质量的特定信息。

离子迁移率
⑦潮解：有些晶体能自发吸收空气中的水蒸气，在它们的固体表面逐渐形成饱和溶液，它的水蒸气压若是低于空气中的水蒸气压，则平衡向着潮解的方向进行，水分子向物质表面移动，这种现象叫做潮解。

PbI的用途
三、
2
PbI)晶体原子序数高，综合物理化学性能优良，熔点较低，在熔碘化铅(
2
点以下无破坏性相变，化学性能稳定，对γ射线和a射线具有很强的阻止本领，电子和空穴的迁移率寿命较高，制成的探测器能量分辨率和探测效率好。

因此，自1971年S．Roth和W．R．Willig报道了Pbl2晶体可用于室温下的γ射线探测以来，Pbl2晶体就被认为是一种极有前途的室温核辐射探测器材料。

此外，
PbI晶体被认为是一种很作为一种主要的直接跃迁宽带隙P型化合物半导体，
2
好的光电子材料。

可用来制作光电导、光电池、x射线、γ射线探测器等光电器件，特别是在大面积x射线成像阵列中具有极其诱人的前景。

PbI核辐射探测器
1、
2
核辐射探测器(nuclear radiation detector)又称核探测元件(nuclear detection element)，是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。

辐射和核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。

核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。

按照记录方式，核辐射探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。

常用的有电离室、计数管和闪烁计数器、原子核乳胶、固体核径迹探测器和半导体探测器等。

图 3 核辐射探测器
作为新型的室温核辐射探测器，Pbl2探测器能在环境监测、核医学、无损检测、核武器突防、航空航天、天体物理和高能物理等领域得到广泛的应用。

这类探测元件可以测量辐射射线和它们的性质,其原理主要是利用射线与物质相互作用时所产生的多种效应。

如应用带电粒子与物质作用产生电离的原理制作的电离室、计数管，以及α径迹探测器等；利用其荧光作用做成的闪烁计数器；利用电离和激发所引起的化学反应过程制作原子核乳胶，固体核径迹探测器等。

对带电离子可直接应用上述性质，对不带电的粒子(如γ射线)，则应用其与物质作用的三种效应(光电效应、康普顿-吴有训效应、电子对效应)所产生的二次电子来达到上述目的。