深圳先进院杨春雷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

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。

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 

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。