杨春雷研究员团队在高灵敏度能量分辨型X射线探测器研究上取得进展

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近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所光子信息与能源材料研究中心杨春雷研究员团队以“A novel energy-resolved radiation detector based on the optimized CIGS photoelectric absorption layer”为题，在Journal of Power Sources（影响因子：9.127）上发表了基于铜铟镓硒（CIGS）薄膜光电器件与GOS闪烁体相结合的间接型X射线探测器研究进展，该探测器具有高灵敏度和能量分辨能力，该器件中使用的CIGS薄膜光电材料具有低成本、高效率及可大面积制作等优势。
        瞄准如何提高辐射探测器的探测率以及如何获得能量分辨这两个核心难题，本研究工作从材料和器件结构两个方面进行了创新设计。

图1：a)3D结构间接型X射线探测器的示意图; b) CIGS光电功能层的器件结构；c) 光电器件的照片。

图2：a) 本研究中使用的CIGS薄膜的Ga/(Ga+In)元素比；b)  Ga含量0.33的样品中各元素的空间分布；c) CIGS吸收层的截面电子显微镜照片；d) CIGS的晶体结构示意图；e) CIGS薄膜的晶体X射线衍射图谱；f) CIGS薄膜的拉曼光谱；g) CIGS光电器件的暗电流与Ga组分关系；h) 表面钝化处理后的CIGS器件的电流电压曲线。

图3：在不同深度上的X射线探测器像素对X射线能量的敏感度对比测量，像素的标号越大，其深度越深。

        降低CIGS光电器件的暗电流从而提高信噪比，是CIGS应用于探测器领域的核心挑战，本文系统研究了Ga含量对CIGS薄膜探测器的暗电流调控并获得了最优的组分设计，进一步结合表面态硫化处理和引入超薄Al2O3层作为pn结界面电荷阻挡层，成功将器件的探测率从6×1013 Jones升高至2.3×1014 Jones，这是目前CIGS光电器件的最好水平。基于优化的CIGS光电功能层与GOS闪烁体层制备的X射线探测器，探测灵敏度达到8 μCGyair-1cm-2，响应时间为0.23-0.28 ms。
        为了获得对于X射线的能量分辨能力，本研究中提出了新的3D结构X射线探测器的几何构型，该新结构一方面可以利用X射线在穿透深度上的空间分辨获得能量分布信息，另一方面可以使闪烁体的可见光荧光信号传播方向与X射线传播方向垂直，成功解决了间接型X射线探测器在高灵敏度和高空间分辨率不可兼得的难题。
       论文第一作者为博士后宁德博士，研究生胡明珠和马明副研究员为共同作者，通讯作者为李伟民副研究员、陈明副研究员和杨春雷研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市和广东省等科技项目资助。
　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231520
        文章来源：深圳先进院
        杨春雷，材料所所长助理，光子信息与能源材料研究中心主任，特聘研究员、广东省领军人才，深圳市高层次人才（B类）、南山区领航人才（B类）。杨春雷研究员在化合物半导体材料和器件方面有20年以上的研究经历，在半导体材料的外延生长、器件工艺、半导体发光动力学和载流子输运过程、半导体中缺陷的表征和指认、半导体发光器件和光探测器件、半导体自旋电子学和自旋动力学等方面开展了卓有成效的工作。学术影响力：（1）近年来承担国家重点研发计划、国家自然基金委、科技部973计划、深圳市技术攻关和基础研究等项目近40余项，受资助科研经费超过6000万人民币。（2）已在Phys. Rev. Lett、 Phys. Rev. B 以及 Appl. Phys. Lett. 等国际杂志上发表了200多篇学术论文，论文被引用近4400次；出版《薄膜太阳能电池》专著一本；多次受邀在欧洲光伏大会和中国光伏大会等国际会议上做特邀报告或担任分会主席。申请发明专利160余件，已获授权50余件。担任国家科技部、国家自然科学基金、广东省科学计划和深圳市科技项目等的评审专家；还是Nature子刊、Phys. Rev. Lett和Solar Energy Materials and Solar Cells等20多家期刊杂志的审稿人。