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，利用金剛石實現了可在高溫環境下工作的(de)高靈(ling)敏度X射線探(tan)測陣列。

       X射(she)線以(yi)其短波長和(he)(he)(he)高(gao)能量，在醫學成像(xiang)、工業探傷、晶體結(jie)構分析以(yi)及安全篩查等多個領域得到了廣泛(fan)應(ying)用(yong)。然(ran)而，這些應(ying)用(yong)的效果(guo)高(gao)度依賴于(yu)高(gao)性能和(he)(he)(he)穩定(ding)的X射(she)線探測器(qi)。目前，由于(yu)材料和(he)(he)(he)設備檢(jian)測機制的限制，開發(fa)兼具高(gao)靈敏度、快速響應(ying)和(he)(he)(he)穩定(ding)性的探測器(qi)仍然(ran)面臨(lin)挑戰。本文研究中，作者利用(yong)單晶金(jin)剛石構建了一個10×10 X射(she)線探測器(qi)陣(zhen)列(lie)，并通過不對(dui)稱夾層電(dian)極結(jie)構提(ti)升了探測器(qi)的靈敏度。該金(jin)剛石X射(she)線探測器(qi)陣(zhen)列(lie)表(biao)現出了卓越的探測性能和(he)(he)(he)高(gao)溫(wen)穩定(ding)性。

       制造過(guo)程包(bao)括幾(ji)個步(bu)驟：首先，通過(guo)光刻法和磁控濺射(she)法在金(jin)(jin)剛石正面沉積(ji)了(le)(le)(le)10×10個銀電(dian)(dian)極(ji)，每(mei)個電(dian)(dian)極(ji)的(de)(de)尺(chi)寸為850 mm×850 mm，電(dian)(dian)極(ji)間(jian)距為120 mm。接(jie)著，在金(jin)(jin)剛石背面沉積(ji)了(le)(le)(le)Ti/Au電(dian)(dian)極(ji)。為了(le)(le)(le)減少相鄰像素(su)之(zhi)間(jian)的(de)(de)串擾，采用激光切割在銀電(dian)(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)切割出溝槽。這些溝槽有效(xiao)抑制了(le)(le)(le)載流子的(de)(de)橫(heng)向傳輸，從而減少了(le)(le)(le)像素(su)間(jian)的(de)(de)串擾，提升了(le)(le)(le)探(tan)測(ce)器的(de)(de)光電(dian)(dian)性能和圖像清(qing)晰(xi)度。

       上圖展示了金剛石X射線探測器在不同(tong)條(tiao)件下的性能(neng)。結果表明(ming)在50 V偏(pian)置電(dian)壓(ya)下，靈敏(min)度(du)(du)響應為(wei)14.3 mC Gy-1 cm-2。40 V偏(pian)置下，信噪比等于3時的檢(jian)測閾值為(wei)4.9 nGy s-1。在27~450℃溫(wen)度(du)(du)范(fan)圍內光(guang)電(dian)流隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)升高(gao)而增加。在62.83 nGy s-1 X射線劑量率下光(guang)電(dian)流和暗電(dian)流均表現出良好的重復性。

       總(zong)結，本文開發(fa)了(le)(le)一種10×10單晶金剛石X射線探(tan)測(ce)器(qi)陣列。 通過(guo)采用不對稱電極結構和激光(guang)切(qie)割加工的(de)(de)溝槽，顯著提升(sheng)了(le)(le)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)。 該探(tan)測(ce)器(qi)在(zai)50 V偏置下(xia)展現出18312的(de)(de)光(guang)暗電流比、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)極限(xian)，達(da)到當前金剛石X射線探(tan)測(ce)器(qi)中的(de)(de)最佳水平。 探(tan)測(ce)器(qi)還(huan)具有優異的(de)(de)均(jun)勻性(xing)(xing)和穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)，能(neng)夠在(zai)高達(da)450 ℃的(de)(de)高溫下(xia)有效探(tan)測(ce)X射線，拓展了(le)(le)其在(zai)惡(e)劣環境(jing)下(xia)的(de)(de)應用潛力。