硼(10B)/金刚石薄膜复合结构的制备及中子阵列探测技术研究

当前，在国家安全防务、核废料监控、机场与港口安全检测、天体物理研究、医学和生命科学技术等方面迫切需要开发新型的固体中子探测技术。本项目结合非金属硼(10B)与宽禁带半导体金刚石固有的特性和优势，提出将硼与金刚石膜进行复合形成双层结构应用于大面积、稳定性好并具有位置分辨能力的像素阵列中子探测器件的制造。.本项目将提出适应中子阵列探测的硼(10B)/金刚石膜复合结构的制备技术。在此基础上，对器件结构和尺寸进行优化设计，解决实现128×128阵列器件的倒装焊关键制备技术和读出电子学系统，揭示硼(10B)/金刚石膜复合结构阵列探测器的材料参数、器件几何结构参数与器件能谱响应特性、电学特性、位置分辨特性之间的内在影响规律，为获得探测效率高、稳定性好、具有位置分辨能力的中子探测器件提供实验和理论依据，为我国新型固体中子探测技术的发展打下基础，使我国在这一领域的研究水平能迅速跻身于国际先进行列。

当前，在国家安全防务、核废料监控、机场与港口安全检测、天体物理研究、医学和生命科学技术等方面迫切需要开发新型的固体粒子探测技术。本项目结合非金属硼(10B)与宽禁带半导体金刚石固有的特性和优势，制备了大面积硼/金刚石双层复合膜，采用先进微电子工艺，实现了16×16像素阵列粒子探测器件的制造。主要取得如下结果：.（1）在金刚石薄膜衬底上成功制备了富硼(10B)薄膜。本项目在金刚石表面分别使用磁控溅射、刮涂和真空蒸发三种方法沉积了含硼薄膜，研究表明，采用真空蒸发法有利于获得高质量的富硼(10B)薄膜。.（2）开发了适应高能粒子探测的光学级金刚石膜的生长工艺。采用微波等离子体化学气相沉积方法成功制备了大面积光学级（大于2英寸）金刚石膜及高取向（110）金刚石膜，其可见光透过率达80~90%。获得了成核条件（包括甲烷浓度、成核偏压等）、生长条件（生长温度，生长气压、甲烷浓度）与金刚石膜质量之间的影响规律。同时开展了金刚石膜的表面功能化处理及热稳定性研究，重点研究了氢等离子体温度对金刚石膜表面形貌、表面电阻率的影响，发现氢化金刚石膜表面费米能级具有钉扎效应。在国际上首次采用反射式电子能量损失谱（REELS）定量研究了氢化金刚石中氢的含量。在氮气中进行快速热处理，发现950°C方可以解析氢化金刚石表面的氢，消除表面费米能级的钉扎效应。.（3）成功制备了硼(10B)/金刚石膜复合结构像素阵列探测器，获取了CVD金刚石表面稳定欧姆接触的工艺条件；组建了电子学测试系统，研究分析了硼(10B)/金刚石膜复合结构阵列探测器性能。首次报道了采用石墨烯作为过渡层制备电极与金刚石膜可以形成良好的欧姆接触，欧姆性能优于Ti/Pt/Au复合电极。采用标准光刻工艺，制备获得了16×16硼(10B)/金刚石像素阵列中子探测器。紫外光电探测器性能测试表明，采用非晶碳-铂-金电极结构具有更高的光生载流子收集效率和紫外光响应稳定性，光电流增益增加3个数量级。α粒子辐照测试表明，采用非晶碳-铂-金结构电极的本底噪声幅值相对较弱，241Am辐照响应峰更窄，半高宽约为3.75，能量分辨率约为15%。对于金刚石基X射线探测器，在300-1200W 功率X射线发生器的辐照下，光电流上升为暗电流的5-7倍。.（4）通过本项目的实施，共发表论文12篇，其中被SCI收录10篇。申报国家发明专利3项。培养青年教师5名、博士生