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Progreso de la investigación y aplicación de materiales de detección nuclear semiconductores compuestos a temperatura ambiente

El detector de semiconductores compuestos es uno de los nuevos detectores de radiación nuclear que se desarrolló rápidamente en la década de 1960. El detector de semiconductores compuestos a temperatura ambiente es un tipo especial de detector nuclear semiconductor que se diferencia de los detectores de unión P-N, los detectores de deriva de litio, los detectores nucleares de germanio de alta pureza, etc.

Los materiales semiconductores compuestos para la detección de radiación nuclear a temperatura ambiente deben tener las siguientes características:

(1) Los elementos constituyentes del material deben tener números atómicos más altos para garantizar que el material tenga mayores resistencia a los rayos gamma. Capacidad de bloqueo para garantizar una alta eficiencia de detección;

(2) El material debe tener una banda prohibida grande, generalmente superior a 1,5 eV, para garantizar que el detector tenga una banda prohibida grande cuando trabaje en una habitación. temperatura. (2) El material debe tener una banda prohibida grande, generalmente superior a 1,5 eV, para garantizar que el detector tenga una corriente de fuga más baja y una resistividad más alta cuando funciona a temperatura ambiente;

(3) Los materiales deben tener una buena Propiedades del proceso, lo que facilita la producción de monocristales con alta pureza y bajos defectos de red. Además, el material debe tener excelentes propiedades mecánicas y estabilidad química para facilitar el mecanizado y facilitar la realización de contactos óhmicos o contactos de bloqueo;

(4) El material debe tener excelentes propiedades físicas y ser capaz de soportar altas reacciones El voltaje de polarización inversa (el voltaje de polarización inversa puede alcanzar varios cientos de voltios), la corriente de fuga inversa debe ser lo más pequeña posible y el producto movilidad-vida útil de los portadores debe ser grande para garantizar que el detector tenga un ruido térmico pequeño y una buena resolución energética. . Tasa.

Los detectores semiconductores de radiación nuclear a temperatura ambiente están fabricados con materiales cristalinos semiconductores compuestos de gran tamaño y alta calidad (yoduro de mercurio, antimonuro de aluminio, telururo de cadmio, telururo de zinc y cadmio, yoduro de plomo, arseniuro de galio, seleniuro de cadmio, etc.) es el cuerpo principal del desarrollo, que involucra tecnologías clave como la preparación de materiales, el diseño de dispositivos y la preparación de dispositivos. En 1967, Prince y el polaco Luke enumeraron por primera vez tres materiales que podrían convertirse en materiales de detección nuclear a temperatura ambiente: telururo de cadmio, fosfuro de galio y seleniuro de cadmio. En la década de 1970, Estados Unidos comenzó a realizar investigaciones sobre el yoduro de mercurio. Los cristales de yoduro de mercurio tienen un gran ancho de banda y resistividad, pero su estabilidad química es deficiente y son propensos a la volatilización y la delicuescencia a temperatura ambiente. Los detectores fabricados deben estar estrictamente sellados. Al mismo tiempo, en 1977, Armantrout et al. compararon varios de los materiales semiconductores de detección nuclear a temperatura ambiente más prometedores y descubrieron que el material más prometedor era el antimonuro de aluminio, pero el monocristal de este material era extremadamente difícil de cultivar y fácil de cultivar. deliquesce. Eberhardt et al. People utilizaron el método de crecimiento epitaxial en fase líquida para fabricar detectores a partir de materiales de antimonuro de aluminio a temperatura ambiente. Se utilizó la tecnología de crecimiento epitaxial en fase líquida para obtener un monocristal de arseniuro de galio con alto rendimiento completo y se prepararon con éxito rayos gamma con buena resolución energética por primera vez. Sin embargo, debido a su bajo número atómico, su capacidad para bloquear alta energía. Los rayos y su eficiencia de detección son relativamente bajos y limitan su desarrollo. Las ventajas del detector de telururo de cadmio son su mayor número atómico, una mayor capacidad de bloqueo contra los rayos gamma y una mayor eficiencia de detección. Sin embargo, la corriente de fuga generada por la excitación térmica es mayor y la resolución energética es menor

Y. Tiene efecto de polarización. En vista de las deficiencias mencionadas anteriormente del cristal de telururo de cadmio, se desarrolló un nuevo material incorporando zinc en el cristal de telururo de cadmio para aumentar su ancho de banda. El uso de materiales de telururo de cadmio en detectores semiconductores a temperatura ambiente se remonta a 1967, pero no fue hasta principios de la década de 1990 que las mejoras en los procesos de producción mejoraron en gran medida el rendimiento de los cristales de telururo de cadmio, y la investigación relacionada también logró grandes avances. El ancho de la banda prohibida del cristal de telururo de cadmio cambia continuamente desde la banda de luz del infrarrojo cercano a la banda de luz verde a medida que cambia el contenido de zinc, y no hay fenómeno de polarización. Sin embargo, el telururo de cadmio tiene dos desventajas principales: baja resolución energética y es difícil obtener telururo de cadmio de gran tamaño y alta calidad debido al complejo proceso de crecimiento.

Los materiales utilizados para fabricar detectores de radiación nuclear también incluyen materiales semiconductores compuestos como telururo de zinc, sulfuro de cesio, yoduro de indio, seleniuro, etc. No se han realizado investigaciones en profundidad sobre estos materiales y sus detectores.

En la actualidad, están participando la Universidad Nacional de Sichuan, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Shanghai, la Universidad de Lanzhou, la Universidad de Chongqing, la Universidad Politécnica del Noroeste, el Instituto de Nanotecnología y Nanobiónica de Suzhou, la Academia de Ciencias de China y el Instituto de Energía Atómica de China. El Instituto de Física, el Instituto de Óptica, Física y Mecánica Fina de Changchun, la Academia de Ciencias de China y la Universidad de Yanshan (en cooperación con la Universidad de Illinois, EE. UU.) han iniciado investigaciones sobre estos materiales en el Instituto de Investigación de Aplicaciones de Tecnología Nuclear. La Fundación Nacional de Ciencias Naturales u otros proyectos han financiado investigaciones sobre el crecimiento, el rendimiento y la aplicación de detectores nucleares en una serie de monocristales semiconductores compuestos (como yoduro de plomo, yoduro de mercurio, telururo de zinc y cadmio, nitruro de galio, yoduro de indio, etc. ).