CN112018193A - 碳材料的新用途、半导体型x射线探测器顶电极及探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及X射线探测器技术领域，具体涉及碳材料作为半导体型X射线探测器顶电极的材料的新用途、包含该碳材料的半导体型X射线探测器顶电极及包含该顶电极的半导体型X射线探测器。该碳材料例如是炭黑、石墨、活性炭、多孔碳、石墨烯、碳纳米管、碳60或它们的组合。该顶电极除了包含碳材料，还可包含少量的钼或银等金属材料和/或氧化铟锡等金属氧化物材料。本申请的碳材料顶电极价格低廉、制作方便，对X射线几乎无吸收，不会减弱探测器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及X射线探测器技术领域，具体涉及碳材料作为半导体型X射线探测器顶电极的材料的新用途、包含该碳材料的半导体型X射线探测器顶电极及包含该顶电极的半导体型X射线探测器。
背景技术
X射线探测器是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置，在接收到X射线照射后产生与辐射强度成正比的电信号。X射线探测器在医疗、安检、科研、军工等领域有诸多应用，根据工作原理一般分为半导体型X射线探测器(直接探测型)和闪烁体型X射线探测器(间接探测型)。一个完整的半导体型X射线探测器一般是多层平面结构，包括电极、吸光层和薄膜晶体管等部件，其中电极包括顶电极和底电极，这组电极分别导出吸光层产生的光生电子和空穴。在探测器工作过程中，X射线需要先穿透顶电极进入吸光层，被吸光层吸收，并转化为电信号。因此，理想的顶电极材料应该具有良好的导电能力、价格低廉且易于制备，并且不能削弱吸光层对X射线的吸收。
目前常用的半导体型X射线探测器顶电极材料有钼(Mo)、银(Ag)等金属材料以及氧化铟锡(ITO)等金属氧化物材料。这些顶电极材料导电性能较好，但材料本身较为昂贵，并且必须依赖于价格昂贵的蒸镀或磁控溅射设备，在超高真空条件下，通过蒸镀或者磁控溅射方法制作顶电极，制作流程较为复杂，成本较高。而且，测控溅射等方法制作顶电极可能会对某些探测器材料造成损伤。另外，Ag等金属本身具有一定的X射线吸收能力，导致入射的X射线在到达吸光层之前往往就被部分吸收，造成探测器性能损失。因此，本领域需要寻找性价比更高、又不会吸收X射线的新型顶电极材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的半导体型X射线探测器顶电极材料成本高和吸收X射线的缺陷，而采用碳材料作为顶电极材料，提高半导体型X射线探测器的性能。
为了实现本发明的目的，在第一方面，本发明提供碳材料的用途，该碳材料作为半导体型X射线探测器顶电极的材料。
在第二方面，本发明提供一种用于半导体型X射线探测器的顶电极，该顶电极包含碳材料。
本文中使用的术语“碳材料”指任何导电碳材料，其可以是传统的碳材料，例如木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、天然金刚石，也可以是新型碳材料，例如金刚石功能材料、石墨层间化合物、炭纤维、多孔炭、玻璃炭、柔性石墨、核石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳60。
在本发明的一些实施方案中，本发明的顶电极包含炭黑、石墨(包括天然石墨、柔性石墨、核石墨)、活性炭、多孔碳、碳纳米管或碳60。在本发明的另一些实施方案中，本发明的顶电极包含炭黑、石墨(包括天然石墨、柔性石墨、核石墨)、活性炭、多孔碳、石墨烯、碳纳米管和碳60中的一种或多种的组合。
在本发明的一些实施方案中，本发明的顶电极还包含金属材料。具体地，该金属材料的重量占该碳材料的重量的0.1-5重量％。在本发明的另一些实施方案中，本发明的顶电极还包含金属氧化物材料。具体地，该金属氧化物材料的重量占该碳材料的重量的0.1-5重量％。在本发明的又一些实施方案中，本发明的顶电极还包含金属材料和金属氧化物材料的组合，金属材料和金属氧化物材料的重量分布占该碳材料的重量的0.1-5重量％。
在本发明的一些具体实施方案中，该金属材料为钼金属材料。在本发明的另一些具体实施方案中，该金属材料为银金属材料。在本发明的又一些具体实施方案中，该金属氧化物材料为氧化铟锡。
本发明的顶电极通常可通过碳浆料涂覆法制作。简单地讲，可将碳材料研磨成微细颗粒，并且如有需要，根据重量比加入金属材料和/或金属氧化物材料的微细颗粒，再加入适当的有机溶剂、粘结剂和增稠剂混合均匀制备成碳浆料，然后用玻璃棒、刮刀、刮涂设备、涂布设备、印刷设备等各类涂布工具并借助掩模板将碳浆料在电极基底上涂覆成均匀的碳浆料涂层，再通过加热处理去除有机溶剂后，即可得到均匀的碳电极。
有机溶剂和粘结剂可以将碳材料粉末和任选的金属材料和/或金属氧化物材料粉末调成粘度适当的碳浆料，使碳浆料很好地接触并附着于其所覆盖的基底。
所用的有机溶剂、粘结剂和增稠剂可以是碳电极制作中常用的有机溶剂、粘结剂和增稠剂。例如，有机溶剂采用松油醇，占碳浆料总质量的15-85％，粘结剂采用石蜡油，占碳浆料总质量的1-5％，增稠剂采用乙基纤维素，占碳浆料总质量的1-5％。
掩模板一般由陶瓷、金属等材料制成，其中间具有镂空部分。镂空部分可设计成不同的形状，以制作不同形状的碳电极，并且镂空部分可以设计成不同的厚度，以调整碳电极的厚度。另外，还可通过调整碳浆料的粘度和用量、涂布的速度和次数以及涂布工具距离掩模板平面的高度等参数精确控制涂层质量。
本发明的顶电极也可以用固体碳膜物理挤压的方法来制作，或者可以将碳膜(如石墨烯材料的碳膜)转移到顶电极基底上，在溶剂氛围下与基底粘附制成顶电极。
在第三方面，本发明提供一种半导体型X射线探测器，其包括电极、吸光层和薄膜晶体管，该电极包括顶电极和底电极，其中该顶电极根据本发明第二方面的顶电极。
本发明的有益效果：
碳材料导电性好(50μm的碳电极方块电阻一般小于20Ω)，并具有良好的加工性能。作为半导体型X射线探测器顶电极材料，具有价格低廉、来源广泛、绿色环保的优点。
碳材料顶电极可以通过涂布、刮涂、印刷等简易方法进行方便、快捷的电极制备，不需要保持真空条件和昂贵的大型设备，极大地降低了半导体型X射线探测器顶电极制备的材料成本、设备成本、制作成本以及能源消耗。
碳元素本身原子序数低，对X射线几乎无吸收(参见图4)，保证了半导体型X射线探测器吸光层对X射线的充分吸收，提高探测器的性能。
附图说明
图1显示碳材料与传统金属电极材料吸收X射线的对比图，纵坐标U为X射线在不同材料中穿透过程中的衰减系数，横坐标E为X光电子的能量。
图2显示根据本发明一个实施例的半导体型X射线探测器顶电极制作方法，其中附图标记1表示水平台面，2表示探测器基底，3表示掩模板，3'表示掩模板镂空部分，4表示玻璃棒，5表示碳浆料，箭头表示玻璃棒推动方向；
图3显示图1所示的顶电极制作方法制得的顶电极5'；
图4显示另一种形式的掩模板镂空部分；
具体实施方式
下面通过具体的非限制性实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
称取100g炭黑，研磨成100目以上的炭黑粉末。将炭黑粉末转移到烧杯中，向其中加入100ml松油醇、2ml石蜡油和2ml乙基纤维素，用玻璃杯搅拌混合均匀，制备成碳浆料。
如图2所示，将没有顶电极的半导体型X射线探测器基底2固定在水平台面1上。将掩模板3置于探测器基底2上，用于遮挡探测器基底2的表面上不需要顶电极覆盖的区域。掩模板3具有与要制备的顶电极形状相对应的四个平行排列的矩形镂空部分3'，并具有选定的厚度。将配制好的碳浆料涂抹在玻璃棒4上，然后将玻璃棒4置于掩模板3上，用手轻轻推动玻璃棒4，使得玻璃棒4上的碳浆料5在四个矩形镂空部分3'处均匀覆盖于探测器基底2上。待碳浆料5湿膜成型后，撤去掩模板3。将涂布完碳电极湿膜的探测器基底2转移至热台上(图中未显示)，去除有机溶剂后，即得到均匀的碳材料顶电极5'，如图3所示。掩模板3的镂空部分3'也可以采用其他形式，例如图4所示的T字形。
实施例2
称取100g活性炭，研磨成100目以上的活性炭粉末。将活性炭粉末转移到烧杯中，向其中加入100ml松油醇、2ml石蜡油和2ml乙基纤维素，用玻璃杯搅拌混合均匀，制备成碳浆料。
本实施例的涂覆采用刮涂仪来进行，可参考图2，但玻璃棒用刮刀代替。将一个或多个没有顶电极的半导体型X射线探测器基底固定在刮涂仪的水平台面上。将相应的一个或多个掩模板置于对应的探测器基底上，用于遮挡探测器基底的表面上不需要顶电极覆盖的区域。掩模板具有与要制备的顶电极形状相对应的镂空部分，并具有选定的厚度。将配制好的碳浆料涂抹在掩模板上，使刮涂仪刮刀水平地按一定的速度刮过碳浆料。可以调整刮涂仪参数，包括刮刀距离掩模板表面的距离、刮刀移动速度和来回次数，优化涂覆操作。将碳浆料涂抹均匀后，撤去掩模板。将涂布完碳电极湿膜的探测器基底转移至热台上，去除有机溶剂后，即得到均匀的碳材料顶电极。
实施例3
称取100g天然石墨，研磨成100目以上的天然石墨粉末。称取1g银粉料，进一步研磨成100目以上的银粉末。将天然石墨粉末和银粉末转移到烧杯中，向其中加入100ml松油醇、2ml石蜡油和2ml乙基纤维素，用玻璃杯搅拌混合均匀，制备成碳浆料。然后按照实施例1或2的方式制作成碳材料顶电极。
实施例4
称取100g柔性石墨，研磨成100目以上的柔性石墨粉末。称取1g钼粉料，进一步研磨成100目以上的钼粉末。将柔性石墨粉末和钼粉末转移到烧杯中，向其中加入100ml松油醇、2ml石蜡油和2ml乙基纤维素，用玻璃杯搅拌混合均匀，制备成碳浆料。然后按照实施例1或2的方式制作成碳材料顶电极。
实施例5
称取100g多孔炭，研磨成100目以上的多孔炭粉末。称取1g氧化铟锡粉料，进一步研磨成100目以上的氧化铟锡粉末。将多孔炭和氧化铟锡粉末转移到烧杯中，向其中加入100ml松油醇、2ml石蜡油和2ml乙基纤维素，用玻璃杯搅拌混合均匀，制备成碳浆料。然后按照实施例1或2的方式制作成碳材料顶电极。
以上应用了具体实例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员依据本发明的构思，还可以做出若干简单推演、变形或替换。这些推演、变形或替换方案也落入本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.碳材料的用途，其特征在于，所述碳材料作为半导体型X射线探测器顶电极的材料。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述碳材料为炭黑、石墨、活性炭、多孔碳、石墨烯、碳纳米管、碳60或它们的组合。
3.一种半导体型X射线探测器顶电极，其特征在于，所述顶电极包含碳材料。
4.根据权利要求3所述的顶电极，其特征在于，所述碳材料为炭黑、石墨、活性炭、多孔碳、石墨烯、碳纳米管、碳60或它们的组合。
5.根据权利要求3或4所述的顶电极，其特征在于，所述顶电极还包含金属材料和/或金属氧化物材料。
6.根据权利要求5所述的顶电极，其特征在于，所述金属材料的重量占所述碳材料的重量的0.1-5重量％。
7.根据权利要求5所述的顶电极，其特征在于，所述金属氧化物材料的重量占所述碳材料的重量的0.1-5重量％。
8.根据权利要求5所述的顶电极，其特征在于，所述金属材料为钼或银金属材料。
9.根据权利要求5所述的顶电极，其特征在于，所述金属氧化物材料为氧化铟锡。
10.一种半导体型X射线探测器，包括电极、吸光层和薄膜晶体管，所述电极包括顶电极和底电极，其特征在于，所述顶电极为根据权利要求3-9中任一项所述的顶电极。
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| CN201910468558.5A CN112018193A (zh) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | 碳材料的新用途、半导体型x射线探测器顶电极及探测器 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN201852941U (zh) * | 2010-09-19 | 2011-06-01 | 同方威视技术股份有限公司 | 辐射探测器及其成像装置和电极结构 |
| WO2014069818A1 (ko) * | 2012-10-30 | 2014-05-08 | 삼성테크윈 주식회사 | 엑스레이 검출기 및 엑스레이 검출 시스템 |
| KR20180038314A (ko) * | 2016-10-06 | 2018-04-16 | 경희대학교 산학협력단 | 밴드 옵셋 구조를 포함하는 엑스선 검출기 |
| KR20180109104A (ko) * | 2017-03-27 | 2018-10-08 | 성균관대학교산학협력단 | 고내열성 반도체 중성자 검출기 |
| CN108922654A (zh) * | 2018-06-30 | 2018-11-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种低温可丝网印刷碳浆料及高导电性碳电极 |
-
2019
- 2019-05-31 CN CN201910468558.5A patent/CN112018193A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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