高靈敏度能量分辨型X射線探測器研究新進展

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所研究員楊春雷團隊以A novel energy-resolved radiation detector based on the optimized CIGS photoelectric absorption layer為題，在Journal of Power Sources上發表了基于銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光電器件與GOS閃爍體相結合的間接型X射線探測器研究進展，該探測器具有高靈敏度和能量分辨能力，器件中使用的CIGS薄膜光電材料具有低成本、高效率及可大面積制作等優勢。

　　瞄準如何提高輻射探測器的探測率以及如何獲得能量分辨這兩個核心難題，研究人員從材料和器件結構兩個方面進行了創新設計。降低CIGS光電器件的暗電流從而提高信噪比，是CIGS應用于探測器領域的核心挑戰。該團隊系統研究了Ga含量對CIGS薄膜探測器的暗電流調控并獲得了最優的組分設計，進一步結合表面態硫化處理和引入超薄Al2O3層作為pn結界面電荷阻擋層，成功將器件的探測率從6×1013 Jones升高至2.3×1014 Jones，這是目前CIGS光電器件的最好水平。基于優化的CIGS光電功能層與GOS閃爍體層制備的X射線探測器，探測靈敏度達到8 μCGyair-1cm-2，響應時間為0.23-0.28 ms。

　　為了獲得對于X射線的能量分辨能力，該研究提出了新的3D結構X射線探測器的幾何構型，新結構一方面可以利用X射線在穿透深度上的空間分辨獲得能量分布信息，另一方面可以使閃爍體的可見光熒光信號傳播方向與X射線傳播方向垂直，成功解決了間接型X射線探測器在高靈敏度和高空間分辨率不可兼得的難題。

　　該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市和廣東省等科技項目的資助。

圖1 a 3D結構間接型X射線探測器的示意圖；b CIGS光電功能層的器件結構；c 光電器件的照片。

圖2 a 研究中使用的CIGS薄膜的Ga/(Ga+In)元素比；b Ga含量0.33的樣品中各元素的空間分布；c CIGS吸收層的截面電子顯微鏡照片；d CIGS的晶體結構示意圖；e CIGS薄膜的晶體X射線衍射圖譜；f CIGS薄膜的拉曼光譜；g CIGS光電器件的暗電流與Ga組分關系；h 表面鈍化處理后的CIGS器件的電流電壓曲線。

圖3 在不同深度上的X射線探測器像素對X射線能量的敏感度對比測量，像素的標號越大，其深度越深。