CN108735830B - 基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器及制备方法，包括衬底层、碘化铅材料层、绝缘保护层、第一电极和第二电极，所述碘化铅材料层设置在衬底层上，第一电极和第二电极分别设置在碘化铅材料层的上下两侧或左右两侧，第一电极和第二电极为不同功函数材料，绝缘保护层将碘化铅材料层、第一电极、第二电极包覆在衬底层上。本发明的自驱动辐射探测器，与当前的需要加电压驱动的辐射探测器相比，可以不需要额外电压，而与自驱动有机无机钙钛矿或引入有机材料作为电子传输层或空穴传输层的辐射探测器相比，本发明的肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器稳定性更好，且暗电流低，寄生电容小，响应较快。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器及其制备方法。
背景技术
日益恶化的环境问题和恐怖袭击使辐射探测器成为环境监测和预警的核心与基础。半导体辐射探测器可用于X、γ和β等高能射线的探测，并可广泛应用于安保、医疗、国防和核电等行业，以及工业机械部门小型产品及零部件的尺寸标定、无损检测和无损评估等方面。
目前，辐射探测器所采用的材料有a-Se，TlBr，CdZnTe等，而这些传统材料存在诸多不利因素限制了其广泛应用。比如，a-Se对高能射线吸收率低，且在高于室温一定范围内，a-Se材料会局部结晶失去光电转换功能，TlBr存在剧毒，CdZnTe的制备温度太高。因此，从半导体辐射材料选择、制备工艺以及经济环保的角度考虑都需要对传统辐射探测器做进一步的改进。
碘化铅PbI2是一种极有前途的室温辐射探测器材料。在过去几十年中，围绕PbI2晶体的生长[CN200610020393-用碘化铅熔体生长单晶体的方法及设备；CN201310181516-大面积碘化铅厚膜的制备方法及其实施设备；Xinghua Zhu,PeihuaWangyang,Hui Sun,etal.Facile growth and characterization of freestanding single crystalPbI2film,Materials Letters,2016,180:59～62.等]以及辐射探测应用[CN201010288195-辐射探测器及其成像装置、电极结构和获取图像的方法；CN201020536985-辐射探测器及其成像装置和电极结构-发明]开展了大量的研究工作。目前，基于PbI2辐射探测器主要围绕PbI2的制备，以及相关成像装置、电极结构和获取图像开展了研究工作。除此之外，目前的半导体辐射探测器(a-Se，TlBr，CdZnTe，PbI2等)都需要额外增加电压才能有效工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：针对当前半导体辐射探测器(a-Se，TlBr，CdZnTe，PbI2等)需要外加电压，而自驱动有机无机钙钛矿辐射探测器因有机材料的引进而稳定性较差的现状，提供一种制备方法简易且不需要外加电压的自驱动肖特基结碘化铅辐射探测器。
本发明的技术方案为：基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，包括衬底层、碘化铅材料层、绝缘保护层、第一电极和第二电极，所述碘化铅材料层设置在衬底层上，第一电极和第二电极分别设置在碘化铅材料层的上下两侧或左右两侧，第一电极和第二电极为不同功函数材料，绝缘保护层将碘化铅材料层、第一电极、第二电极包覆在衬底层上。
进一步地，碘化铅材料层为碘化铅单晶层或碘化铅多晶膜层。
进一步地，所述第一电极和第二电极的材料为Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或它们的合金，且它们不同时为同一种材料。这样第一电极和第二电极就具有不同的功函数，与碘化铅材料层形成肖特基结。
进一步地，第一电极和衬底层可整体采用商业化的导电玻璃，碘化铅材料层设置在导电玻璃上，碘化铅材料层上侧设置第二电极，第二电极材料采用Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或它们的合金。
优选地，导电玻璃为ITO、FTO或AZO及其掺杂改性的导电玻璃。
进一步地，所述绝缘保护材料层为PDMS固化胶体。
进一步地，第一电极和第二电极上还分别连接有导电引线。
本发明还公开了一种基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)对作为衬底层的石英玻璃进行清洗，并用氮气吹干并烘烤备用；
(2)将碘化铅粉末和去离子水加入到聚四氟乙烯水热釜中，从室温加热到200℃，升温时间为6h；在200℃条件下保温6h；通过设置降温时间4-180h可获得不同厚度和大小的碘化铅单晶材料，作为碘化铅单晶材料层；
(3)将上述步骤(2)获得的碘化铅单晶材料层置于步骤(1)烘干备用的衬底层上，用高温绝缘胶带挡住相应部分，剩余部分作为Mo电极材料沉积位置；利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅半导体辐射吸收材料层上未被胶带覆盖的部分镀300nm的Mo作为第一电极；
(4)在第一电极上制备导电引线，同时用高温绝缘胶带覆盖保护第一电极和引线，去掉第一电极对面第二电极所在位置的高温绝缘胶带，通过溅射镀300nm Au，作为第二电极，并制备第二电极引线供测试；
(5)配置道康宁10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡，在氮气气氛下的真空手套箱中，去除高温绝缘胶带形成沟道，并在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，将碘化铅半导体辐射吸收材料层、第一电极和第二电极包覆，形成绝缘保护材料层，并在加热板上保持60℃固化24h。
本发明还公开了另一种基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将ITO导电玻璃基片用依次用去离子冲洗5次、丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、异丙醇超声10分钟后，然后用氮气枪吹干后120℃烘烤3h备用；
(2)通过真空热蒸发在ITO导电玻璃基片上制备碘化铅多晶膜层，当真空气压为5×10-4Pa时，保持碘化铅粉末热源温度280℃，ITO导电玻璃衬底温度210℃，密闭蒸镀制备碘化铅多晶膜材料，同时通过云母板保护做引线位置的ITO电极材料，之后，通过机械抛光获得厚度为150μm的碘化铅多晶膜层。
(3)采用高温绝缘胶带取代云母板作为ITO电极材料引线位置的保护层。
(4)利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅多晶膜层上镀300nm的Mo作为第二电极；
(5)配置道康宁10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡；去除高温绝缘胶带，分别制备ITO电极材料和Mo电极材料的引线，进一步在氮气气氛下的真空手套箱中，在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，并在加热板上保持60℃固化24h，形成绝缘保护材料层，将碘化铅多晶膜层、第一电极和第二电极包覆，获得辐射探测器。
本发明的核心在于利用PbI2与不同功函数的电极构建自驱动辐射探测器，即可以利用PbI2对高能射线的灵敏性和较大的迁移率和载流子寿命之积(μτ)，又可以结合肖特基结的自驱动，稳定等优异特性。此外，肖特基探测器制作相对简易，不存在高温扩散过程，并且暗电流低、寄生电容小，响应较快。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的自驱动辐射探测器，与当前的需要加电压驱动的辐射探测器相比，可以不需要额外电压，而与自驱动有机无机钙钛矿或引入有机材料作为电子传输层或空穴传输层的辐射探测器相比，本发明的肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器稳定性更好，且暗电流低，寄生电容小，响应较快。另外，外加保护绝缘材料可以进一步提高辐射探测器的稳定性。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2和实施案例3的结构示意图；
图中附图标记为：1-衬底层，2-第一电极，3-碘化铅材料层，4-第二电极，5-绝缘保护层。
图3为在0偏压和不同X射线剂量条件下，基于碘化铅晶体材料的辐射探测器响应电流与时间的关系；
图4为在0偏压和不同X射线剂量下，基于碘化铅多晶膜材料的辐射探测器响应电流与时间的关系。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，包括衬底层1，衬底层1上设置有碘化铅材料层3，碘化铅材料层3的材料采用碘化铅单晶材料，碘化铅材料层3左右两端分别设置有不同功函数的第一电极2和第二电极4，第一电极2和第二电极4上分别设置有引线，碘化铅材料层3上设置有将碘化铅材料层3、第一电极2和第二电极4包覆的绝缘保护层5。第一电极2和第二电极4的材料为Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或它们的合金，且它们不同时为同一种材料。所述绝缘保护材料层5为PDMS固化胶体。
制备方法如下：
(1)根据半导体清洗标准(RCA)对将作为衬底的石英玻璃进行清洗，并用氮气吹干在120℃烘烤3h备用，得到衬底材料层1。
(2)将0.1g碘化铅粉末和15ml去离子水加入到30ml聚四氟乙烯水热釜中，从室温加热到200℃，升温时间为6h；在200℃条件下保温6h；通过设置降温时间4-180h可获得不同厚度和大小的碘化铅单晶材料，作为碘化铅半导体辐射吸收材料层3。
(3)将上述步骤(2)获得的约8μm厚0.70mm×0.40mm碘化铅半导体辐射吸收材料层3置于烘干备用的衬底材料层1上，用高温绝缘胶带挡住相应部分，剩余部分作为Mo电极材料沉积位置。利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅半导体辐射吸收材料层3上一端未被胶带覆盖的部分镀300nm的Mo作为第一电极2。
(4)在第一电极2上制备导电引线，同时用高温绝缘胶带覆盖保护第一电极2和引线，去掉第一电极2对面第二电极4所在位置的高温绝缘胶带，通过溅射镀300nmAu，作为第二电极4，并制备第二电极4引线供测试。
(5)配置道康宁(Dow Coming)10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡。在氮气气氛下的真空手套箱中(-1到1Pa)，去除高温绝缘胶带形成沟道，并在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，将碘化铅半导体辐射吸收材料层3、第一电极和第二电极包覆，形成绝缘保护材料层5，并在加热板上保持60℃固化24h。
器件测试
在0偏压和X射线辐照条件下(钨靶X射线源Optima 97008,Oxford InstrumentsX-Ray Technology，Inc.)，利用Agilent B2912A半导体分析仪接收电信号，测量光响应曲线，测试结果如图3所示。从图3中可以看出：在固定X射线剂量条件下，器件响应稳定，此外，器件在不同X射线剂量条件下，响应电流随着入射剂量增大而增大。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于第一电极2和第二电极4分别设置在碘化铅材料层3的上下两侧，以及碘化铅材料层3的材料为碘化铅多晶膜。
制备方法如下：
(1)将作为衬底层1的尺寸为2.0cm×2.0cm玻璃基片用依次用去离子冲洗5次、丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、异丙醇超声10分钟后，然后用氮气枪吹干后120℃烘烤3h备用。
(2)利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在450℃玻璃基片1上镀300nm的Mo作为第一电极2。
(3)通过真空热蒸发在Mo导电玻璃基片上制备碘化铅多晶膜。当真空气压为5×10-4Pa时，保持碘化铅粉末(纯度为99.9％)热源温度280℃，Mo导电玻璃层衬底温度210℃，密闭蒸镀生长碘化铅多晶膜材料，此外，同时通过云母板保护做引线位置的Mo电极材料。之后，通过机械抛光获得厚度约为150μm的碘化铅多晶膜层。
(4)在第一电极2上制备导电引线，同时用高温绝缘胶带覆盖保护第一电极2和引线，通过溅射镀150nm Au，作为第二电极4，并制备第二电极4引线供测试。
(5)配置道康宁(Dow Coming)10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡。在氮气气氛下的真空手套箱中(-1到1Pa)，去除保护第一电极2和引线的高温绝缘胶带，并在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，将碘化铅多晶膜层、第一电极2和第二电极4包覆，形成绝缘保护层5，并在加热板上保持60℃固化24h。
器件测试
在0偏压和X射线辐照条件下(钨靶X射线源Optima 97008,Oxford InstrumentsX-Ray Technology，Inc.)，利用Agilent B2912A半导体分析仪接收电信号，测量光响应曲线，测试结果如图4所示。从图4中可以看出：固定X射线剂量，器件响应稳定。此外，样品在不同X射线剂量条件下，响应电流随着入射剂量增大而增大。
实施例3
如图2所示，本实施例与实施例2基本相同，区别在于第一电极2的材料不同，在本实施例中，所述第一电极2为ITO，附着在玻璃构成的衬底层1上，形成ITO导电玻璃，即衬底层1和第一电极2整体采用ITO导电玻璃。第二电极4设置在碘化铅多晶膜层上侧。第二电极4材料采用Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或由它们混合形成的合金。
制备方法如下：
(1)将尺寸为2.0cm×2.0cm、厚度为220nm，方阻小于7ohm/sq的ITO导电玻璃基片用依次用去离子冲洗5次、丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、异丙醇超声10分钟后，然后用氮气枪吹干120℃烘烤3h备用。
(2)通过真空热蒸发在ITO导电玻璃基片上制备碘化铅多晶膜层，当真空气压为5×10-4Pa时，保持碘化铅粉末(纯度为99.9％)热源温度280℃，ITO导电玻璃衬底温度210℃，密闭蒸镀碘化铅多晶膜材料，此外，同时通过云母板保护做引线位置的ITO电极材料。之后，通过机械抛光获得厚度约为150μm的碘化铅多晶膜层。
(3)采用高温绝缘胶带取代云母板作为ITO电极材料引线位置的保护层。
(4)利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅多晶膜层上镀300nm的Mo作为第二电极4。
(5)配置道康宁(Dow Coming)10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡。去除高温绝缘胶带，分别制备ITO电极材料和Mo电极材料的引线，进一步在氮气气氛下的真空手套箱中(-1到1Pa)，在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，并在加热板上保持60℃固化24h，形成绝缘保护材料层5，将碘化铅多晶膜层、第一电极2和第二电极4包覆，获得辐射探测器。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (4)
1.基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，其特征在于，包括衬底层、碘化铅材料层、绝缘保护材料层、第一电极和第二电极，所述碘化铅材料层设置在衬底层上，第一电极和第二电极分别设置在碘化铅材料层的上下两侧或左右两侧，第一电极和第二电极为不同功函数材料，绝缘保护材料层将碘化铅材料层、第一电极、第二电极包覆在衬底层上；所述碘化铅材料层为碘化铅单晶材料层或碘化铅多晶膜层；当第一电极和第二电极位于碘化铅材料层左右两侧时，第一电极和第二电极在碘化铅材料远离衬底层一侧的两端还设置有平行于衬底层的固定部，该固定部用于与绝缘保护材料层配合将碘化铅材料固定于衬底层上；
其中，所述第一电极和第二电极的材料为Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或它们的合金，且它们不同时为同一种材料；所述基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：
（1）对作为衬底层的石英玻璃进行清洗，并用氮气吹干并烘烤备用；
（2）将碘化铅粉末和去离子水加入到聚四氟乙烯水热釜中，从室温加热到200℃，升温时间为6h；在200℃条件下保温6h；通过设置降温时间4-180h可获得不同厚度和大小的碘化铅单晶材料，作为碘化铅单晶材料层；
（3）将上述步骤（2）获得的碘化铅单晶材料层置于步骤（1）烘干备用的衬底层上，用高温绝缘胶带挡住相应部分，剩余部分作为Mo电极材料沉积位置；利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为 99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa 的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅半导体辐射吸收材料层上未被胶带覆盖的部分镀 300nm 的Mo作为第一电极；
（4）在第一电极上制备导电引线，同时用高温绝缘胶带覆盖保护第一电极和引线，去掉第一电极对面第二电极所在位置的高温绝缘胶带，通过溅射镀300nm Au，作为第二电极，并制备第二电极引线供测试；
（5）配置道康宁10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡，在氮气气氛下的真空手套箱中，去除高温绝缘胶带形成沟道，并在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，将碘化铅半导体辐射吸收材料层、第一电极和第二电极包覆，形成绝缘保护材料层，并在加热板上保持60℃固化24h；
其中，第一电极和衬底层整体采用导电玻璃，碘化铅材料层设置在导电玻璃上，碘化铅材料层上侧设置第二电极，第二电极材料采用Ag、Ti、Cr、W、Mo、Au、Pd、Ni、Pt、Al或它们的合金；所述基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器的制备方法，包括如下步骤：
（1）将ITO导电玻璃基片用依次用去离子冲洗 5 次、丙酮超声10分钟、酒精超声10分钟、异丙醇超声10分钟后，然后用氮气枪吹干后120℃烘烤3h备用；
（2）通过真空热蒸发在ITO导电玻璃基片上制备碘化铅多晶膜层，当真空气压为5×10-4Pa时，保持碘化铅粉末热源温度280℃，ITO导电玻璃衬底温度210℃，密闭蒸镀碘化铅多晶膜材料，同时通过云母板保护做引线位置的ITO电极材料，之后，通过机械抛光获得厚度为150μm的碘化铅多晶膜层；
（3）采用高温绝缘胶带取代云母板作为ITO电极材料引线位置的保护层；
（4）利用直流磁控溅射镀膜工艺，以纯度为 99.99％的Mo靶为材料，抽真空度高于4×10-4Pa 的条件下，通氩气调控气压为0.2Pa，功率165W，在碘化铅多晶膜层上镀 300nm 的Mo作为第二电极；
（5）配置道康宁10:1的PDMS固化胶体，并真空去除气泡；去除高温绝缘胶带，分别制备ITO电极材料和Mo电极材料的引线，进一步在氮气气氛下的真空手套箱中，在器件表面滴加PDMS固化胶体材料，并在加热板上保持60℃固化24h，形成绝缘保护材料层，将碘化铅多晶膜层、第一电极和第二电极包覆，获得辐射探测器。
2.根据权利要求1所述的基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，其特征在于，所述导电玻璃为ITO、FTO或AZO及其掺杂改性的导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，其特征在于，所述绝缘保护材料层为PDMS固化胶体。
4.根据权利要求1所述的基于肖特基电极和碘化铅的自驱动辐射探测器，其特征在于，第一电极和第二电极上还分别连接有导电引线。
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