中國(guó)科大設(shè)計(jì)出基于體相肖特基結(jié)構(gòu)的便攜式輻射探測(cè)器

近日，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的肖正國(guó)教授課題組，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備出一種體相肖特基結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用多孔碳電極與填充在其內(nèi)部的鈣鈦礦半導(dǎo)體形成。體相肖特基結(jié)將輻射探測(cè)器中的電荷傳輸距離降低了兩個(gè)多量級(jí)，鈣鈦礦輻射探測(cè)器在低電壓下也能實(shí)現(xiàn)高靈敏度，向便攜式輻射探測(cè)器的廣泛應(yīng)用邁出重要一步。11月27日，相關(guān)研究成果以A bulk Schottky junction for high-sensitivity portable radiation detectors為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其X射線吸收系數(shù)高、光電特性優(yōu)異成為最有前景的輻射探測(cè)材料。由于X射線的穿透能力非常強(qiáng)，因此輻射探測(cè)器通常需要幾百微米的厚度吸收更多的X射線。目前，傳統(tǒng)的輻射探測(cè)器像三明治一樣是層狀結(jié)構(gòu)，載流子必須穿過(guò)整個(gè)X射線吸收層才能被電極收集。但在這個(gè)過(guò)程中，又會(huì)發(fā)生極大的載流子損失，影響探測(cè)器性能。此外，傳統(tǒng)的層狀結(jié)構(gòu)探測(cè)器通常需要幾十伏甚至上百伏的工作電壓，這限制了便攜式器件的發(fā)展并加劇了鈣鈦礦器件的性能衰減。

針對(duì)上述問(wèn)題，肖正國(guó)課題組利用溶液法，將鈣鈦礦均勻填充在孔徑很小的碳電極網(wǎng)絡(luò)中，形成體相肖特基結(jié)。在這種結(jié)構(gòu)中，X光產(chǎn)生的電荷僅需遷移孔徑距離（幾百納米）就能被碳電極收集，從而大幅減少了載流子損耗，并降低了工作電壓。該結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在-1 V的超低電壓下就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.42×105mCGyair-1cm-2的靈敏度，并且能夠檢測(cè)到非常低劑量的X射線，最低劑量檢測(cè)限低至48 nGyairs-1。該結(jié)構(gòu)不僅提高了鈣鈦礦輻射探測(cè)器的性能，還改善了鈣鈦礦輻射探測(cè)器的穩(wěn)定性，使其在脈沖X射線下穩(wěn)定運(yùn)行并在儲(chǔ)存5個(gè)月后幾乎不發(fā)生性能衰減。此外，團(tuán)隊(duì)還制作了便攜式X射線報(bào)警器，驗(yàn)證了其在便攜設(shè)備中的應(yīng)用潛力。該工作為提升鈣鈦礦輻射探測(cè)器性能和穩(wěn)定性提供了全新思路，并展現(xiàn)了鈣鈦礦輻射探測(cè)器在便攜式設(shè)備中的廣闊前景。

傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)探測(cè)器示意圖（a）、體相肖特基結(jié)探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖（b）、碳電極/鈣鈦礦界面處的肖特基結(jié)示意圖（c）、碳電極/鈣鈦礦復(fù)合膜的照片（d）和SEM下的截面形貌（e）、體相肖特基結(jié)輻射探測(cè)器在不同偏壓下的靈敏度（f）、自制的便攜式X射線報(bào)警裝置（g）、脈沖X射線下的工作穩(wěn)定性（h）、長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性（i）。