氧化锌抗辐射特性研究及新型高能辐射探测器研制

Multifunctional ZnO is a wide bandgap semiconductor, an ultra-fast scintillator and a radioresistive material. The goal of proposed research is to explore ZnO as the radiation-hard and multifunctional material to advance the radiation sensing technology. This will be achieved by collaborative and interdisciplinary research efforts through (i) mechanism studies of irradiation effect of ZnO scintillator and ZnO UV-TFT; (ii) preparation and characterization of nano-wire modified ZnO crystal scintillator which is supposed to increase the radioresistance; (iii) the fabrication and optimization of ZnO UV-TFT for detecting the fluorescence; (iV) integrative research on all-ZnO radiation sensing systems including ZnO scintillator, UV-TFT and turn on TFT. The initial success of the research will not only advance fundamental understanding of the mechanisms of radiation resistance, but also transform the technology into the sensing and imaging of radiation with large area array but compact in size, low cost.

在光、电、压电等方面具有优越性能的宽禁带半导体氧化锌（ZnO），同时具有优异的抗辐射特性（仅次于金刚石）及超快闪烁性能（<1ns）。本项目的目标就是要在深刻揭示ZnO闪烁体及ZnO 紫外薄膜晶体管（UV-TFT）抗辐射机理的基础上，将上述性能加以综合利用而研制出新型的全ZnO高能辐射探测器。主要的研究内容包括：（1）闪烁体及UV-TFT的辐照效应研究, 特别是点缺陷的产生与迁移，辐照动态退火机理，及后退火损伤修复机理；（2）ZnO纳米结构修饰的复合ZnO体单晶闪烁体的制备与优化；（3）适用于ZnO闪烁体荧光探测的ZnO UV-TFT的研制；（4）基于全ZnO的闪烁体、荧光探测UV-TFT及开关TFT的辐射探测器研制及性能测试。本项目的实施将深刻揭示ZnO在各个尺度及维度上的抗辐射机理，同时将获得新型抗辐射高性能辐射探测器的制作工艺，可望在环境监测及核反应堆诊断等方面展示重要的应用价值。

本项目重点研究了ZnO闪烁体材料的点缺陷及其在高能辐照下的变化，并采用微加工技术制备了ZnO基紫外光电薄膜晶体管（UV-TFT）, 深入研究了ZnO UV-TFT在X射线等高能辐照下的辐照效应，最终研制出ZnO基新型辐射探测器，主要成果包括:.1）揭示了ZnO闪烁体材料中本征点缺陷氧空位（VO、VZn及Zni等）的形成机理以及点缺陷浓度的定量表征方法。揭示了ZnO材料中复合点缺陷如GaZn-VZn 的形成机理及光电性能。阐明了X射线辐照和离子注入下ZnO基单晶薄膜中点缺陷的演化；.2）采用微加工光刻掩膜工艺研制出ZnO基紫外光电薄膜晶体管（UV-TFT）, 揭示了X射线等高能辐照下的辐照效应，获得了器件的主要参量随辐照强度、剂量等的变化关系, 评估了退火工艺对辐照损伤的修复效果;.3）研制出ZnO基新型辐射探测器，发明了一种直接型ZnO辐照探测器的结构和制作工艺，并优化了器件的各个工作参量，评估了ZnO辐射探测器件的探测性能。.4）共发表SCI论文36篇，新申请国际、国内专利14项。