【儀表網 研發快訊】近日，合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學技術大學物理學院、中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室的肖正國教授課題組，創新性地設計并制備出一種體相肖特基結構。該結構利用多孔碳電極與填充在其內部的鈣鈦礦半導體形成。體相肖特基結將輻射探測器中的電荷傳輸距離降低了兩個多量級，鈣鈦礦輻射探測器在低電壓下也能實現高靈敏度，向便攜式輻射探測器的廣泛應用邁出重要一步。11月27日，相關研究成果以A bulk Schottky junction for high-sensitivity portable radiation detectors為題發表在國際著名學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。
金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其X射線吸收系數高、光電特性優異成為最有前景的輻射探測材料。由于X射線的穿透能力非常強，因此輻射探測器通常需要幾百微米的厚度吸收更多的X射線。目前，傳統的輻射探測器像三明治一樣是層狀結構，載流子必須穿過整個X射線吸收層才能被電極收集。但在這個過程中，又會發生極大的載流子損失，影響探測器性能。此外，傳統的層狀結構探測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展并加劇了鈣鈦礦器件的性能衰減。
針對上述問題，肖正國課題組利用溶液法，將鈣鈦礦均勻填充在孔徑很小的碳電極網絡中，形成體相肖特基結。在這種結構中，X光產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。該結構的探測器在-1 V的超低電壓下就可以實現高達1.42×105mCGyair-1cm-2的靈敏度，并且能夠檢測到非常低劑量的X射線，最低劑量檢測限低至48 nGyairs-1。該結構不僅提高了鈣鈦礦輻射探測器的性能，還改善了鈣鈦礦輻射探測器的穩定性，使其在脈沖X射線下穩定運行并在儲存5個月后幾乎不發生性能衰減。此外，團隊還制作了便攜式X射線報警器，驗證了其在便攜設備中的應用潛力。該工作為提升鈣鈦礦輻射探測器性能和穩定性提供了全新思路，并展現了鈣鈦礦輻射探測器在便攜式設備中的廣闊前景。
傳統層狀結構探測器示意圖(a)、體相肖特基結探測器結構示意圖(b)、碳電極/鈣鈦礦界面處的肖特基結示意圖(c)、碳電極/鈣鈦礦復合膜的照片(d)和SEM下的截面形貌(e)、體相肖特基結輻射探測器在不同偏壓下的靈敏度(f)、自制的便攜式X射線報警裝置(g)、脈沖X射線下的工作穩定性(h)、長期儲存穩定性(i)。
中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心博士研究生張以涵、物理學院博士研究生黃總銘為該文的共同第一作者，肖正國教授為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中國科學技術大學和安徽省的大力支持。
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