石墨烯基柱状碲锌镉厚膜的可控制备、生长机理及其核辐射阵列探测技术研究

Due to its unique properties, such as high energy and spatial resolution, high detection efficiency, high stability, strong anti-radiation ability, non-polarization effect and ability to work at room temperature, CdZnTe detectors become one of the best room temperature detectors for X-ray and γ-ray detecting, which is promising in public safety, military, industrial, medical imaging and scientific research. However, CdZnTe detectors are mainly prepared by single crystal material, while the preparation of single crystal materials with large size, low defect, and high uniformity is still very difficult and the device cost is very high, which limits the device especially in large area imaging applications. As a solution, people turned to high-quality, large-area and low-cost CdZnTe thick films and devices..This project proposes to adopt the close-spaced sublimation (CSS) method to realize a large area, low-defect and high-quality CdZnTe thick film on graphene substrates with special two-dimensional morphology and surface characteristics. Study on the growth mechanism and establish a controlled growth process of detector-grade columnar CdZnTe thick films. Combined with the device structure design, large-area CdZnTe thick film array detectors are fabricated and the relationship between thick film parameters, device structure and detector performance are studied. This will obviously improve our research level in the field of new nuclear radiation detectors.

碲锌镉（CdZnTe）探测器具有高能量和空间分辨率、高探测效率、强抗辐照能力、无极化效应且可室温工作等优点，是X射线、γ射线的最佳室温探测器之一，在军事、工业、核医学成像及科学研究等领域极具应用前景。但是，目前CdZnTe探测器主要采用单晶材料，而大尺寸、低缺陷且高均匀性的单晶材料制备仍十分困难，器件成本很高，这限制了器件尤其是大面积成像器件的应用。作为解决方案，人们转而研究高质量、大面积、低成本的CdZnTe厚膜及器件。.本项目提出以具有特殊二维形态及表面特性的石墨烯为衬底，采用近空间升华法实现探测器级大面积、低缺陷的高质量柱状CdZnTe厚膜，研究石墨烯衬底上柱状CdZnTe厚膜的生长机理，建立探测器级柱状厚膜的可控生长工艺，结合器件结构设计研究大面积CdZnTe厚膜阵列探测器的制备工艺及性能，揭示厚膜参数、器件结构与探测器性能间的内在联系，提升我国在新型核辐射探测器领域的研究水平。

碲锌镉(CdZnTe)具有较高且可以调节的禁带宽度，较高的平均原子序数和高的电阻率，是室温核辐射探测应用的热点材料，在军事、工业、核医学成像及科学研究等领域具有广泛的应用前景。由于大尺寸、高质量的单晶制备存在困难，低成本和大面积的CdZnTe厚膜核辐射探测器引起了广泛的关注。.CdZnTe厚膜质量是影响CdZnTe厚膜核辐射探测器性能的关键因素。本项目以石墨烯为衬底，采用近空间升华法开展了探测器级大面积、低缺陷柱状CdZnTe厚膜的制备及性能研究。研究了沉积工艺条件对CdZnTe厚膜性能的影响，获得了厚度大于500微米的高质量柱状CdZnTe厚膜。.在此基础上，研究了机械抛光工艺、化学抛光工艺及表面钝化等工艺对CdZnTe厚膜形貌、结构和电性能等的影响，获得了优化的CdZnTe厚膜表面处理工艺，表面粗糙度可低至纳米级。开发了CdZnTe厚膜核辐射探测器用低电阻率、高温度稳定性ZnO基透明导电氧化物薄膜欧姆接触电极。设计了用于CdZnTe厚膜电极接触特性研究的传输线法光刻工艺，并使用传输线法研究了ZnO基导电薄膜与CdZnTe厚膜的接触特性，获得了一种低接触电阻的电极结构。采用XPS方法研究获得了ZnO基导电薄膜与CdZnTe厚膜的接触界面特性及其对器件性能的影响规律。.基于以上研究成果，制备了CdZnTe厚膜室温核辐射探测器并系统研究了其性能。研究结果表明，采用优化工艺制备的CdZnTe厚膜室温核辐射探测器对241Am辐射源的能量分辨率可达14%，对137Cs 辐射源的能量分辨率可达3.8%。尽管探测器性能与目前单晶CdZnTe探测器相比仍有一定差距，但已经可以应用于对精度要求不是很高的场景中。本项目关于CdZnTe厚膜核辐射探测器的制备工艺及性能的研究，可以为商用化CdZnTe厚膜核辐射探测器的广泛应用提供实验基础和理论依据。