CN114883442B - 一种CsPbBr3核辐射探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种CsPbBr3核辐射探测器，包括CsPbBr3单晶衬底、能够提高探测稳定性的复合金属电极、PCB板基座及金属管脚，其中，所述复合金属电极由分别沉积在CsPbBr3单晶衬底相对两侧的一层高功函数金属电极和一层低功函数金属电极合金化形成，所述CsPbBr3单晶衬底包裹在复合金属电极内，所述CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座的阴极区；且所述复合金属电极上侧与PCB板基座的阳极区连接，所述PCB板基座的阴极区与金属管脚阴极连接，所述PCB板基座的阳极区与金属管脚阳极连接；本发明的CsPbBr3半导体核辐射探测器能在室温下探测到核信号，且在长时间工作偏压下具有较高的探测稳定特性，误差率小。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术领域，尤其涉及一种CsPbBr3核辐射探测器及其制备方法。
背景技术
如今随着人类对能源需求的日益增大，尤其是对新型能源的研究，一直是近年来研究的热点，而核能是当今世界最有前景的清洁型能源，其在世界的储藏量十分丰富，但核能所具有的巨大破坏力，同样也使普通民众“谈核色变”、“避核远之”。如何能安全有效地利用核能是当今世界能源问题的重中之重。而安全有效地利用核资源，是打开核能源使用之路的一把钥匙，核探测技术是核资源开发的一项重要工作，要使核资源能够安全高效且稳定地被探测到，提高核辐射探测器性能以及稳定性是很有必要的。
当前正在研究并趋于成熟的核辐射探测器是宽禁带半导体核辐射探测器，传统半导体材料和辐射探测器存在的缺陷使其发展遇到瓶颈，无法满足人类社会对核资源日益增大的需求，而全无机钙钛矿型CsPbBr3具有明显优势：很强的射线阻止能力、强的射线吸收能力、较高的平均原子序数(Z＝48.4)、较大的密度(4.86g/cm3)、较大的禁带宽度(2.25eV)、较高的电阻率(～1011Ω·cm)较大的载流子迁移率寿命积等优点，是一种非常有前景的室温宽禁带半导体核辐射探测材料。
但是目前对CsPbBr3核辐射探测器的研究处在刚刚起步阶段，大多数研究还聚焦在对不同高能射线、高能粒子的鉴别能力，这类探测器普遍存在稳定性差等问题，远达不到大规模应用标准，严重影响CsPbBr3优异光电性能的材料优势，因此如何提高CsPbBr3核辐射探测器的稳定性是当前研究的主要课题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种CsPbBr3核辐射探测器及其制备方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种CsPbBr3核辐射探测器，包括CsPbBr3单晶衬底、能够提高探测稳定性的复合金属电极、PCB板基座及金属管脚，其中，所述复合金属电极由分别沉积在CsPbBr3单晶衬底相对两侧的一层高功函数金属电极和一层低功函数金属电极退火合金化形成，所述CsPbBr3单晶衬底包裹在复合金属电极内，所述CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座的阴极区；且所述复合金属电极上侧与PCB板基座的阳极区连接，所述PCB板基座的阴极区与金属管脚阴极连接，所述PCB板基座的阳极区与金属管脚阳极连接。
在本发明中，所述CsPbBr3单晶衬底厚度为500～1000um。
在本发明中，所述高功函数金属包括金属Pt、金属Ni、金属Au，所述低功函数金属包括金属Ti、金属Al、金属Ga、金属Ln、金属Ag。
在本发明中，所述复合金属电极为平面三明治层状结构，靠近CsPbBr3单晶衬底的金属电极为高功函数金属电极，所述低功函数金属电极沉积在高功函数金属电极上。
在本发明中，所述复合金属电极总厚度为60～130nm，这个电极厚度能同时保证实现CsPbBr3核辐射探测器的探测能力和长期稳定探测能力。
在本发明中，所述高功函数金属电极厚度为10～30nm，所述低功函数金属电极厚度为50～100nm。
在本发明中，所述CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座上，PCB板基座主要作用包括：1、固定CsPbBr3核辐射探测器，保护CsPbBr3核辐射探测器核心；2、将平面型探测器阴阳电极汇集在同一平面；3、容易接入核电子学电路，匹配外部电路，以实现稳定核探测能力。
一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
1)、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，加工生成CsPbBr3单晶衬底；
2)、在CsPbBr3单晶衬底的相对两侧通过物理气相沉积法分别沉积一层高功函数金属电极和一层低功函数金属电极；
3)、在快速退火炉中对步骤2)中已完成沉积的CsPbBr3单晶衬底进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极；
4)、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座的阴极区，而后将PCB板基座的阴极区与金属管脚阴极连接；
5)、将复合金属电极上侧与PCB板基座的阳极区连接，PCB板基座的阳极区与金属管脚阳极连接，共同构成CsPbBr3核辐射探测器。
在本发明中，步骤3)中，快速退火的工艺参数为：退火温度范围为400～500℃，退火时间为30s～90s。
在本发明中，步骤5)中，共同构成的CsPbBr3核辐射探测器包括全对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器、半对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器及非对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器。
有益效果：本发明制备的CsPbBr3核辐射探测器能够在室温下稳定工作，体积小方便携带；双层复合金属电极能有效提高探测器的漏电流稳定性，底层高功函数金属电极与半导体接触可以形成有效的欧姆接触，顶层低功函数金属电极有良好的接触稳定性，可显著增强探测器在长时间工作的探测性能，以对α粒子、γ射线等辐射源进行稳定高效地探率，误差率小。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例制备核辐射探测器方法中双层复合电极制备过程示意图。
图2为本发明实施例1制备的全对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器结构示意图。
图3为本发明实施例2制备的半对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器结构示意图。
图4为本发明实施例3制备的非对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器结构示意图。
图5为实施例1制备的全对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器对241Am(α粒子，5.848MeV)的稳定探测能谱图。
图6为实施例1制备的全对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器对137Cs(γ射线，662keV)的稳定探测能谱图。
附图中：1、CsPbBr3单晶衬底，2、4高功函数金属电极层：由金属Pt或金属Ni或金属Au中任意一种沉积生成(以具体实施例中使用的金属为宜)，3、5低功函数金属电极层：由金属Ti或金属Al或金属Ga或金属Ag中任意一种沉积生成(以具体实施例中使用的金属为宜)，6、PCB板基座，7、毛细金丝，8、金属管脚阳极，9、金属管脚阴极。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1、2所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到1000um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Ni电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Ni电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ti电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Ni电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Ni电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Ni电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ti电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmNi/Ti；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为400℃，退火时间为30s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成全对称型100nmTi/Ni-1000umCsPbBr3-100nmNi/Ti核辐射探测器，如图2所示。
实施例2
如图1、2所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到1000um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Ni电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Ni电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ti电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Ni电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Ni电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Ni电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Al电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmNi/Ti和100nmNi/Al；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为450℃，退火时间为50s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成半对称型100nmTi/Ni-1000umCsPbBr3-100nmNi/Al核辐射探测器，如图3所示。
实施例3
如图1、4所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到1000um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Ni电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Ni电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ti电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Ni电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Au电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Al电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmNi/Ti和100nmAu/Al；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为500℃，退火时间为80s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成非对称型100nmTi/Ni-1000umCsPbBr3-100nmAu/Al核辐射探测器，如图4所示。
实施例4
如图1所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到1000um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Au电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ga电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Au电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Au电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ga电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmAu/Ga；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为480℃，退火时间为85s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成全对称型100nmAu/Ga-1000umCsPbBr3-100nmAu/Ga核辐射探测器。
实施例5
如图1所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到1000um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Au电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ga电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Au电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Au电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Al电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmAu/Ga和100nmAu/Al；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为480℃，退火时间为80s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成全对称型100nmAu/Ga-1000umCsPbBr3-100nmAu/Ga核辐射探测器。
实施例6
如图1所示，一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，具体步骤如下：
S1、选择布里奇曼法生长的高质量CsPbBr3单晶，经过切割、研磨抛光得到800um的CsPbBr3单晶衬底1；
S2、在CsPbBr3单晶衬底1的任意一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Au电极2；
S3、在20nm厚的高功函数金属Au电极2上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Ga电极3；
S4、在CsPbBr3单晶衬底1相对沉积有高功函数金属Au电极2的另一侧上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为20nm的高功函数金属Pt电极4；
S5、在20nm厚的高功函数金属Pt电极4上使用物理气相沉积法沉积一层厚度为80nm的低功函数金属Al电极5；
S6、在快速退火炉中对已完成步骤S2)～S5)的CsPbBr3单晶衬底1进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极100nmAu/Ga和100nmPt/Al；快速退火的工艺参数为：退火温度范围为485℃，退火时间为80s；
S7、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底1一侧粘连固定在PCB板基座6的阴极区，PCB板基座6的阴极区与金属管脚阴极9连接；
S8、采用毛细金丝7将复合金属电极上侧与PCB板基座6的阳极区连接，PCB板基座6的阳极区与金属管脚阳极8连接，共同构成非对称型100nmAu/Ga-800umCsPbBr3-100nmPt/Al核辐射探测器。
在上述实施例1～实施例6中，CsPbBr3核辐射探测器制备机理在于：
布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶材料，载流子的迁移寿命积数量级比较高，故核辐射探测器能够高效收集有效电荷，可制备出高性能CsPbBr3核辐射探测器，CsPbBr3单晶衬底与高功函数金属电极：金属Pt、金属Ni、金属Au，能够形成良好的欧姆接触，以确保单晶衬底与金属电极具有优异的线性电学特性；CsPbBr3单晶衬底与低功函数金属电极：金属Ti、金属Al、金属Ga、金属Ln、金属Ag能形成良好的肖特基接触，肖托基接触具有整流特性，确保单晶衬底与金属电极有较低的漏电流特性；高功函数金属和低功函数金属合金化后，既具有优异的线性电学特性，又能显著降低CsPbBr3单晶衬底的漏电流，按照此机理制备双层复合电极CsPbBr3核辐射探测器以达到提高CsPbBr3核辐射探测器稳定性的目的。
在室温下，将上述实例1所示制备得到的全对称型复合电极CsPbBr3单晶核辐射探测器对241Am(α粒子，5.848MeV)进行探测，其探测能谱如附图5所示，对137Cs(γ射线，662keV)进行探测，其探测能谱如附图6所示，对比得出：在同等种类、同等剂量、不同时间核辐射照射下等，使用全对称型复合电极结构的CsPbBr3核辐射探测器的能谱峰保持相同位置，半高宽变动较小，能量分辨率变化不大，故本实施例所示全对称型复合电极结构能够显著提高CsPbBr3核辐射探测器的稳定性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种CsPbBr3核辐射探测器，包括CsPbBr3单晶衬底、复合金属电极、PCB板基座及金属管脚，其特征在于，所述复合金属电极由分别沉积在CsPbBr3单晶衬底相对两侧的一层高功函数金属电极和一层低功函数金属电极退火合金化形成，所述高功函数金属包括金属Pt、金属Ni、金属Au，所述低功函数金属包括金属Ti、金属Al、金属Ga、金属Ln、金属Ag，且所述复合金属电极为平面三明治层状结构，靠近CsPbBr3单晶衬底的金属电极为高功函数金属电极，所述低功函数金属电极沉积在高功函数金属电极上，所述高功函数金属电极厚度为10～30nm，所述低功函数金属电极厚度为50～100nm；所述CsPbBr3单晶衬底包裹在复合金属电极内，所述CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座的阴极区；且所述复合金属电极上侧与PCB板基座的阳极区连接，所述PCB板基座的阴极区与金属管脚阴极连接，所述PCB板基座的阳极区与金属管脚阳极连接。
2.根据权利要求1所述的一种CsPbBr3核辐射探测器，其特征在于，所述CsPbBr3单晶衬底厚度为500～1000um。
3.根据权利要求1所述的一种CsPbBr3核辐射探测器，其特征在于，所述复合金属电极总厚度为60～130nm。
4.一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）、选择布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶，加工生成CsPbBr3单晶衬底；
2）、在CsPbBr3单晶衬底的相对两侧通过物理气相沉积法分别沉积一层高功函数金属电极和一层低功函数金属电极，所述高功函数金属包括金属Pt、金属Ni、金属Au，所述低功函数金属包括金属Ti、金属Al、金属Ga、金属Ln、金属Ag；
3）、在快速退火炉中对步骤2）中已完成沉积的CsPbBr3单晶衬底进行快速退火，促使高功函数金属电极与低功函数金属电极合金化，形成复合金属电极，且所述复合金属电极为平面三明治层状结构，靠近CsPbBr3单晶衬底的金属电极为高功函数金属电极，所述低功函数金属电极沉积在高功函数金属电极上，所述高功函数金属电极厚度为10～30nm，所述低功函数金属电极厚度为50～100nm；
4）、将沉积有复合金属电极的CsPbBr3单晶衬底一侧固定在PCB板基座的阴极区，而后将PCB板基座的阴极区与金属管脚阴极连接；
5）、将复合金属电极上侧与PCB板基座的阳极区连接，PCB板基座的阳极区与金属管脚阳极连接，共同构成CsPbBr3核辐射探测器。
5.根据权利要求4所述的一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，其特征在于，步骤3）中，快速退火的工艺参数为：退火温度范围为400～500℃，退火时间为30s～90s。
6.根据权利要求4所述的一种CsPbBr3核辐射探测器制备方法，其特征在于，步骤5）中，共同构成的CsPbBr3核辐射探测器包括全对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器、半对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器及非对称型CsPbBr3半导体核辐射探测器。
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