近日，鄭州大學單崇新團隊以“Highly sensitive diamond X-ray detector array for high-temperature applications”為題在Chip上發表研究論文，利用金剛石實現(xian)了可在高(gao)溫環(huan)境下(xia)工作的(de)高(gao)靈敏度X射線探測陣列。

       X射線以其短波(bo)長(chang)和高(gao)(gao)能量，在醫(yi)學成像、工業探傷、晶(jing)體結構(gou)分析以及(ji)安全(quan)篩查等多個(ge)領域(yu)得到了廣泛應用(yong)。然而，這些(xie)應用(yong)的(de)效果高(gao)(gao)度依(yi)賴(lai)于(yu)高(gao)(gao)性(xing)能和穩(wen)定(ding)的(de)X射線探測(ce)(ce)器。目前，由于(yu)材(cai)料和設備檢(jian)測(ce)(ce)機制(zhi)的(de)限制(zhi)，開發兼具高(gao)(gao)靈(ling)敏度、快速(su)響應和穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)探測(ce)(ce)器仍然面(mian)臨挑戰。本文研究(jiu)中，作者利(li)用(yong)單晶(jing)金(jin)剛石構(gou)建了一個(ge)10×10 X射線探測(ce)(ce)器陣(zhen)列(lie)，并通過不對稱夾層(ceng)電極結構(gou)提升了探測(ce)(ce)器的(de)靈(ling)敏度。該金(jin)剛石X射線探測(ce)(ce)器陣(zhen)列(lie)表現出了卓越的(de)探測(ce)(ce)性(xing)能和高(gao)(gao)溫穩(wen)定(ding)性(xing)。

       制造過程包括幾個(ge)步驟：首先，通(tong)過光刻法和磁(ci)控濺射法在金剛石正面沉積了(le)(le)10×10個(ge)銀電(dian)極，每個(ge)電(dian)極的(de)(de)尺寸為(wei)850 mm×850 mm，電(dian)極間距為(wei)120 mm。接著，在金剛石背面沉積了(le)(le)Ti/Au電(dian)極。為(wei)了(le)(le)減少相鄰像素(su)之(zhi)間的(de)(de)串(chuan)擾，采用激光切割在銀電(dian)極之(zhi)間切割出溝槽。這些溝槽有效抑制了(le)(le)載流子的(de)(de)橫向傳(chuan)輸(shu)，從而(er)減少了(le)(le)像素(su)間的(de)(de)串(chuan)擾，提升了(le)(le)探(tan)測器的(de)(de)光電(dian)性(xing)能和圖像清晰度。

       上(shang)圖(tu)展示了金剛石X射(she)線探(tan)測器在不同條件下(xia)的性(xing)能(neng)。結果表明在50 V偏置(zhi)電(dian)壓下(xia)，靈敏度響應為14.3 mC Gy-1 cm-2。40 V偏置(zhi)下(xia)，信噪比等于(yu)3時的檢測閾值為4.9 nGy s-1。在27~450℃溫度范(fan)圍(wei)內(nei)光電(dian)流(liu)隨著(zhu)溫度升高而增加。在62.83 nGy s-1 X射(she)線劑量率(lv)下(xia)光電(dian)流(liu)和暗電(dian)流(liu)均表現(xian)出(chu)良好(hao)的重復性(xing)。

       總(zong)結，本文開發了一種10×10單晶金(jin)剛石X射線(xian)探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器陣列。 通過采用(yong)不(bu)對稱電極結構(gou)和激光切(qie)割加工的(de)(de)溝槽，顯(xian)著提升了探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器的(de)(de)性(xing)(xing)能。 該探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器在50 V偏置(zhi)下展現出18312的(de)(de)光暗電流比(bi)、14.3 mC Gy-1 cm-2的(de)(de)靈敏度(du)和4.9 nGy s -1的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)極限，達到當前(qian)金(jin)剛石X射線(xian)探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器中的(de)(de)最(zui)佳水平。 探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器還(huan)具有優異(yi)的(de)(de)均勻性(xing)(xing)和穩定性(xing)(xing)，能夠在高(gao)達450 ℃的(de)(de)高(gao)溫下有效探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)X射線(xian)，拓(tuo)展了其在惡劣環(huan)境下的(de)(de)應用(yong)潛力。