近日，鄭州大學(xué)單崇新團(tuán)隊(duì)以“Highly sensitive diamond X-ray detector array for high-temperature applications”為題在Chip上發(fā)表研究論文，利用金剛石實(shí)現(xiàn)了可在高溫環(huán)境下工作的高靈敏度X射線(xiàn)探測(cè)陣列。

       X射線(xiàn)以其短波長(zhǎng)和高能量，在醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)探傷、晶體結(jié)構(gòu)分析以及安全篩查等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，這些應(yīng)用的效果高度依賴(lài)于高性能和穩(wěn)定的X射線(xiàn)探測(cè)器。目前，由于材料和設(shè)備檢測(cè)機(jī)制的限制，開(kāi)發(fā)兼具高靈敏度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性的探測(cè)器仍然面臨挑戰(zhàn)。本文研究中，作者利用單晶金剛石構(gòu)建了一個(gè)10×10 X射線(xiàn)探測(cè)器陣列，并通過(guò)不對(duì)稱(chēng)夾層電極結(jié)構(gòu)提升了探測(cè)器的靈敏度。該金剛石X射線(xiàn)探測(cè)器陣列表現(xiàn)出了卓越的探測(cè)性能和高溫穩(wěn)定性。

       制造過(guò)程包括幾個(gè)步驟：首先，通過(guò)光刻法和磁控濺射法在金剛石正面沉積了10×10個(gè)銀電極，每個(gè)電極的尺寸為850 mm×850 mm，電極間距為120 mm。接著，在金剛石背面沉積了Ti/Au電極。為了減少相鄰像素之間的串?dāng)_，采用激光切割在銀電極之間切割出溝槽。這些溝槽有效抑制了載流子的橫向傳輸，從而減少了像素間的串?dāng)_，提升了探測(cè)器的光電性能和圖像清晰度。

       上圖展示了金剛石X射線(xiàn)探測(cè)器在不同條件下的性能。結(jié)果表明在50 V偏置電壓下，靈敏度響應(yīng)為14.3 mC Gy-1 cm-2。40 V偏置下，信噪比等于3時(shí)的檢測(cè)閾值為4.9 nGy s-1。在27~450℃溫度范圍內(nèi)光電流隨著溫度升高而增加。在62.83 nGy s-1 X射線(xiàn)劑量率下光電流和暗電流均表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。

       總結(jié)，本文開(kāi)發(fā)了一種10×10單晶金剛石X射線(xiàn)探測(cè)器陣列。 通過(guò)采用不對(duì)稱(chēng)電極結(jié)構(gòu)和激光切割加工的溝槽，顯著提升了探測(cè)器的性能。 該探測(cè)器在50 V偏置下展現(xiàn)出18312的光暗電流比、14.3 mC Gy-1 cm-2的靈敏度和4.9 nGy s -1的檢測(cè)極限，達(dá)到當(dāng)前金剛石X射線(xiàn)探測(cè)器中的最佳水平。 探測(cè)器還具有優(yōu)異的均勻性和穩(wěn)定性，能夠在高達(dá)450 ℃的高溫下有效探測(cè)X射線(xiàn)，拓展了其在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用潛力。