DE102009044025A1

DE102009044025A1 - Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis

Info

Publication number: DE102009044025A1
Application number: DE102009044025A
Authority: DE
Inventors: Brent Allen Clothier; Adrian Ivan; Daniel Bruno Mcdevitt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2010-03-25
Also published as: US20100065791A1; CN101710594B; CN101710594A; US8178008B2

Abstract

Ein Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis, umfassend eine Zusammensetzung der Stöchiometrie Li(M12+, M22+, M32+, ...) (G1V, G2V, G3V, ...), die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, worin Li = 1, (M12+ + M22+ + M32+ + ...) = 1 und (G1V + G2V + G3V + ...) = 1. Das Material liefert zwei brauchbare Charakteristika: [1] eine hohe Li-Stellendichte, die, wenn an 6Li angereichert, ausgezeichnete Neutronen absorbierende Fähigkeiten erzeugt und [2] einen halbleitenden Bandspalt für die wirksame Umwandlung absorbierter Photonen- und Neutronen-Energien in elektrische Ströme. Diese Charakteristika können in Anwendungen zur Energieerzeugung oder zum spektroskopischen Nachweis von Gamma- und Neutronen-Strahlung benutzt werden. Das Material kann so eingestellt werden, dass es nur Gamma-Photonen, nur Neutronenteilchen oder gleichzeitig Gamma-Photonen und Neutronenteilchen nachweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein neues Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis und im Besonderen auf ein Halbleitermaterial, das auf Zusammensetzungen von LiM²⁺G^V beruht, die eine antifluorit-artige Anordnung zeigen, worin M²⁺ ein zweiwertiges Metall (oder Metalle) ist und G^V ein Glied (oder Glieder) von den Elementen der Gruppe V repräsentiert.
Beschreibung des Standes der Technik
VERFAHREN ZUM NACHWEIS VON GAMMA-PHOTONEN
Traditionelles Herangehen an den Gammanachweis schließt hochdichte Materialien ein, die Elemente mit großen Atomnummern enthalten. Diese Materialien können in zwei allgemeine Klassen unterteilt werden: [1] Szintillatoren und [2] Direktumwandlungs-Halbleiter. Bei beiden Klassen treten ankommende Gamma-Photonen mit dem Material in Wechselwirkung, geben Energie in Form primärer energiereicher Elektronen ab, die wiederum Elektron-Loch-Paare ionisieren.
In Szintillatoren rekombiniert ein großer Anteil dieser Paare entweder direkt oder an einer lumineszenten Stelle (z. B. einem Aktivator-Dotierungsmittel oder einem innewoh nenden Defekt) unter Erzeugung von Photonen. Solche Photonen-Emissionen befinden sich typischerweise im sichtbaren Spektrum. Die Photonen werden durch einen Fotosensor (z. B. Fotovervielfacherröhre, Fotodiode etc.) gesammelt und durch geeignete Elektronik zum Rekonstruieren des Gamma-Energiespektrums verarbeitet.
In Direktumwandlungs-Halbleitern wird ein großer Teil der Elektron-Loch-Paare an Elektroden über ein angelegtes elektrisches Feld gesammelt (d. h. Elektronen wandern zur Anode und Löcher zur Kathode). Die resultierenden Stromimpulse werden durch geeignete Elektronik zum Rekonstruieren des Gamma-Energiespektrums verarbeitet.
Derzeitige kommerzielle Szintillatoren schließen NaI:Tl, CsI:Tl, CsI:Na, Bi₄Ge₃O₁₂, (Lu,Y) SiO₅:Ce und LaBr₃:Ce ein. Direktumwandlungs-Halbleiter schließen Si, hochreines Ge, HgI₂, PbI₂ und Glieder der Cd_1-xZn_xTe-Reihe ein.
VERFAHREN ZUM NACHWEIS VON NEUTRONENTEILCHEN
Traditionelles Herangehen an den Neutronennachweis folgt gewöhnlich einem von vier verfügbaren Pfaden: [1] dem Gasgehalt an ³He oder ¹⁰BF₃ (z. B. Proportionalzähler, Ionisations/Szintillations-Kammern), [2] dünnen Schichten oder Dotierungsregionen, die entweder ¹⁰B- oder ⁶Li-Atome auf oder innerhalb von Siliziumdioden enthalten, [3] dem Festkörpereinbau von ⁶Li in Szintillatoren (z. B. auf ⁶LiI:Eu- oder ⁶Li-Grundlage, Ce-dotierte Silikatgläser,) und [4] Wasserstoff-Rückstoß in organischer Materie (z. B. Anthracen, Stilben, Flüssigkeits/Kunststoff-Szintillatoren).
Mit Ausnahme von [4] beruhen alle Verfahren auf einem stabilen Isotop hohen Neutronenquerschnitts (z. B. ³He, ⁶Li, ¹⁰B), um einfallende Neutronenstrahlung zu absorbieren. Dieser Absorptionsprozess induziert eine Kernreaktion, die geladene schwere Teilchen als Nebenprodukt erzeugt:
³He(n,p)-Reaktion: ³He + n → ³T + ¹p Q = 0,764 MeV
⁶Li(n,α)-Reaktion: ⁶Li + n → ³T + ⁴α Q = 4,78 MeV
¹⁰B(n,α)-Reaktion: ¹⁰B+n → ⁷Li+⁴α Q = 2,792 MeV (Grundzustand, 6%) ¹⁰B+n → Li^* + ⁴α Q = 2,310 MeV (angeregter Zustand, 94%)
Die ¹⁰B(n,α)-Reaktion erzeugt jedoch auch ein 0,478 MeV-Gammaphoton, wenn ⁷Li^* zu ⁷Li zerfällt.
Schwerteilchen-Nebenprodukte aus diesen Neutronen-Einfangreaktionen können zum Erzeugen von Elektron-Ion-Paaren in einem Gas (d. h. [1]) oder Elektron-Loch-Paaren in einem Feststoffmaterial (d. h. [2] oder [3]) benutzt werden. Methoden [1] und [2] wandeln solche Paare direkt in messbare elektrische Ströme um und benutzen geeignete Verarbeitungs-Elektronik, um das (die) Neutronen-Ereignis(se) zu registrieren. Methode [3] erfordert zusätzlich einen Fotosensor, um zuerst Protonen-Emissionen von dem Szintillator in elektronische Impulse umzuwandeln.
Methode [4] unterscheidet sich von [1], [2] und [3], da sie auf der Kinematik elastischer Neutronenstreuung beruht. In diesem Prozess kollidieren einfallende Neutronenteilchen mit molekular gebundenem Wasserstoff, um Rückstoß-Protonen freizusetzen. Diese Rückstoß-Protonen funktionieren in einer Weise ähnlich den schweren geladenen Nebenprodukten der Neutronen-Einfangreaktionen oben: ihre Energie wird auf Elektronen ihres Wirtes, typischerweise einem/einer Gas/Flüssigkeit oder polymerem Feststoff, übertragen. In organischen Szintillatoren – der üblichsten Ausführungsform – werden Elektron-Loch-Paare erzeugt, die sich nachfolgend unter Erzeu gen von Photonen rekombinieren. Die Photonen werden durch einen Fotosensor (z. B. Fotovervielfacherröhre, Fotodiode usw.) gesammelt und durch geeignete Elektronik verarbeitet, um das Neutronen-Geschehnis zu registrieren.
Die erste Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [1]) repräsentiert die dominante und am meisten entwickelte Technologie, die kommerziell vertrieben wird. Die zweite Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [2]) beruht auf einer Konverterschicht von ⁶Li enthaltendem oder ¹⁰B enthaltendem Material, das mit einer Siliziumdiode gekoppelt ist. Dieses Design hat sich von einfachen planaren Schichten zu verschiedenen 2D- oder 3-D-Varianten entwickelt (z. B. „perforiertem” Silizium, PIN-Dioden-Säulenelementen usw.), um die Neutronenempfindlichkeit zu verbessern. Ein solcher Trend geht jedoch auf Kosten einer erhöhten Herstellungskomplexität, die ihrerseits die Fabrikationskosten erhöht hat, wobei gute Produktionsausbeuten noch zu demonstrieren sind.
Die dritte Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [3]) ist kommerziell erhältlich als kleine Einkristalle (z. B. ⁶LiI:Eu-Größen bis zu 1 Zoll) und in größeren/Gebrauchs-Volumina als amorphe Monolithen (z. B. auf ⁶Li-Grundlage, Ce-dotierte Silikatgläser). Unglücklicherweise haben die Kristalle ein nicht-lineares Energieansprechverhalten, während die Gläser (zusätzlich) eine dürftige Lichtabgabe zeigen. Als ein Resultat werden beide Materialien nur zum Abbilden oder Zählen und nicht für die Spektroskopie benutzt.
Die letzte Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [4]) ist in massiven/Gebrauchs-Größen (z. B. festen Kunststoffen) oder in abgedichteten Behältern (z. B. flüssige organische Materialien) kommerziell erhältlich. Diese Detektoren erfordern große Volumina wasserstoffhaltigen flüssigen oder festen Kunststoffes und als solches werden ihre Ausführungsformen gegenüber Gammastrahlen sensibilisiert. Diese letztere Charakteristik erfordert zusätzliche teure Impuls-Gestalts-Elektronik, um Neutronen- von Gamma-Geschehnissen zu unterscheiden. Ein anderer Nachteil ist, dass nur die erste Neutronen-Wechselwirkung im Material gemessen werden kann. Flüssige Szintillatoren sind auch toxisch.
Die Notwendigkeit, regellosen Kernwaffen-Bedrohungen zu begegnen, erfordert Detektorsysteme, die verborgene und/oder abgeschirmte radiologische Materialien nachweisen können, die auf Personen angeordnet sind, durch Fahrzeuge transportiert werden, in großen Behältern enthalten sind und Ähnliches. Weiter muss dieser Nachweisprozess in der Lage sein, spezielle Nuklearmaterialien (z. B. waffenfähiges U und Pu, gasförmiges UF₆ zur Anreicherung usw.) von der Anwesenheit medizinischer und industrieller Radioisotope ebenso wie von normalerweise vorkommendem radioaktivem Material (NORM) zu unterscheiden. Es besteht daher ein Bedarf, ein Material bereitzustellen, das Gamma- und/oder Neutronenstrahlung absorbiert und dann die durch diese Strahlung abgegebene Energie in elektrische Impulse umwandelt. Diese Signale können dann zur Erzeugung eines Energiespektrums für jeden Strahlungstyp verarbeitet werden und dadurch den Radioisotopnachweis und die Radioisotop-Identifikation zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweise eine ternäre Zusammensetzung der Stöchiometrie LiM²⁺G^V, die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li = 1, M²⁺ = 1 und G^V = 1 sind, worin ein Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung erzeugt und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses nachgewiesen wird.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis eine gemischte Zusammensetzung der Stöchiometrie Li(M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...)(G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...), die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li = 1,(M₁ ²⁺ + M₂ ²⁺ + M₃ ²⁺ + ...) = 1 und (G₁ ^V + G₂ ^V + G₃ ^V + ...) = 1 sind, worin ein Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung erzeugt und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses nachgewiesen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Allgemein umfasst eine Ausführungsform der Erfindung eine Reihe von Zusammensetzungen der Stöchiometrie LiM²⁺G^V, deren atomare Bestandteile eine antifluorit-artige Anordnung zeigen. In der Ausführungsform beziehen sich M²⁺ und G^V auf irgendein zweiwertiges Metall bzw. Pnicogene bzw. Pnictide der Gruppe V, die gemeinsam die antifluorit-artige Anordnung stabilisieren. Weiter können M²⁺ und G^V aus entweder einzelnen Elementen (z. B. Endgliedern) oder Kombinationen von Elementen (z. B. Substitutionslegieren) zusammengesetzt sein. So sind, z. B., LiMgP und LiZnAs Endglieder, aber Li(Mg, Zn)(As,P) ist eine Legierung. Die allgemeine Formel ist somit: Li(M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) (G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...), wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li = 1,(M₁ ²⁺ + M₂ ²⁺ + M₃ ²⁺ + ...) = 1 und (G₁ ^V + G₂ ^V + G₃ ^V + ...) = 1. Der Kürze halber wird jedoch die Nomenklatur LiM²⁺G^V für die angenommene allgemeine Formel benutzt.
Beispiele von M²⁺ schließen, ohne Einschränkung darauf, die Gruppe ein, bestehend aus: Be, Mg; Ca, Sr, Ba, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Os, Cr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb und Kombinationen daraus. Die Pnicogene der Gruppe V sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N, P, As, Sb, Bi und Kombinationen davon.
Antifluorit-artige Anordnung bezieht sich auf ein flächenzentriertes G^V-Untergitter in dem tetraedrisch-koordinierte Li- und M²⁺-Bestandteile vorhanden sind. Wie in 1 veranschaulicht, koordinieren Li und M²⁺ jeweils mit vier nächsten G^V-Nachbarn und nehmen somit alle tetraedrischen Zwischenräume des Untergitters ein. Die Population dieser Zwischenräume kann statistisch regellos oder, wie in 1 unten gezeigt, eine Anordnung höherer Symmetrie sein. Das G^V-Untergitter bildet üblicherweise ein kubisch dicht gepackte Struktur (d. h. eine kubische Einheitszelle). Andere Einheitszelle, (z. B. tetragonal, orthorhombisch usw.) sind jedoch mit der antifluorit-artige Anordnung konsistent, vorausgesetzt, die vorerwähnte Koordination bleibt erhalten.
FIGUR 1 – ANTIFLUORIT-ARTIGE ANORDNUNG IN LiM²⁺G^V-MATERIALIEN
Die antifluorit-artige Anordnung ermöglicht zwei Merkmale, die für diese Erfindung wichtig sind: [1] halbleitenden elektrischen Transport über einen direkten Bandspalt und [2] eine hohe Li-Stellendichte. Das Erstere allein ist wichtig in Energieumwandlungs-Anwendungen (z. B. Licht emittierenden Dioden, fotoelektrischen Zellen usw.). Diese beiden Charakteristika sind jedoch besonders brauchbar bei der Strahlungsabsorption und dem Strahlungsnachweis, insbesondere wie auf die Radioisotop-Identifikation (RII) angewandt.
Die antifluorit-artige Anordnung kann mit der Zinkblendestruktur in Beziehung gesetzt werden, einer kristallinen Struktur, die vielen kommerziellen Halbleitern gemeinsam ist. Um diese Beziehung zu klären, betrachte man die bekannten III-V-Halbleiter, die die Zinkblende-Kristallbasis (z. B. GaAs) zeigen. Ihre allgemeine chemische Formel kann als M^IIIG^V geschrieben werden. Wird M^III isovalent in ein einwertiges und zweiwertiges Paar (d. h., M^III → M¹⁺M²⁺ → Li⁺M²⁺) umgewandelt, dann bleibt die chemische Neutralität erhalten und eine neue Formeleinheit wird gebildet: LiM²⁺G^V. Die Zinkblende-Kristallbasis muss nun jedoch zwei Atome statt (früher) eines anpassen. Wie in 2 gezeigt, nimmt Li alle leeren oktaedrischen Stellen des flächenzentrierten M^III-Untergitters ein, während M²⁺ direkt M^III ersetzt. In anderen Worten, Li⁺ nimmt alle oktaedrischen Zwischenräume des (M²⁺G^V)^–Zinkblende-Untergitters ein. (Man bemerke, dass die alternative Einheitszelle von 2 in Äquivalenz mit der Einheitszelle von 1 durch Übersetzen der früheren +¼, +¼, +¼ in ein unendliches Gitter gebracht ist, wobei alle Atome fixiert bleiben).
FIGUR 2 – DIE KRISTALLCHEMISCHE BEZIEHUNG ZWISCHEN III-V-ZINKBLENDE-HALBLEITERN UND DEN ANTIFLUORIT-ARTIGEN LiM²⁺G^V-MATERIALIEN DER ERFINDUNG
Trotz der chemischen Unterschiede behalten die antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien das halbleitende Verhalten ihrer Zinkblende III-V-„Nachkommen”. Tatsächlich dient die Anwesenheit des kleinen elektropositiven Li⁺ zum Stabilisieren eines direkten Bandspaltes. Die M²⁺-G^V-Bindungen in dem (M²⁺G^V)--Zinkblende-Untergitter zeigt eine deutlich stärkere Kovalenz als die der Li⁺-G^V-Bindungen. Die Letzteren andererseits zeigen stark ionischen Charakter. Die resultierende ionische Li⁺-(M²⁺G^V)^–-Wechselwirkung genügt, um die Bandstruktur des (M²⁺GV)^–-Zinkblende-Untergitters zu verzerren und einen direkten Bandspalt-Halbleiter aus einem ansonsten indirekten zu induzieren. Direkte Bandspalt-Halbleiter sind zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis sehr bevorzugt, weil die Ionisation und Rekombination von Elektron-Loch-Paaren wirksamer über direkte Übergänge stattfindet.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, ergibt der direkte Bandspalt der antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien einen Mechanismus, um Photonenenergie wirksam in elektrische Energie umzuwandeln. Dieses Merkmal ermöglicht somit Anwendungen in fotoelektrischen Zellen (d. h. Energieerzeugung) oder, mit der geeigneten Elektronik zur Signalanalyse, spektroskopischen Photonennachweis. Der Bereich anwendbarer Photonenenergien wird durch die Größe des Bandspaltes geringer, was wiederum von der Zusammensetzung abhängt.

Zusammensetzung	Bandspalt		Spezifischer Widerstand (Ω-cm)	Träger
Zusammensetzung	Typ	Größe (ev)	Spezifischer Widerstand (Ω-cm)	Typ	μ_H (cm²/V·s)	Konzentration (cm³)
M = Mg-Reihe
LiMgN	Direkt	3,2		n	25
LiMgP	Direkt	2,43
LiMgAs	Direkt	2,29
M = Zn-Reihe
LiZnN	Direkt	1,91		p
LiZnP	Direkt	2,04	10⁵–10⁶	p	1–10	10¹⁶–10¹⁸
LiZnAs	Direkt	1,51	0,1–1	p	16	10¹⁸
M = Cd-Reihe
LiCdP	Direkt	1,3	10³–10⁴	p
LiCdAs
LiCdSb

TABELLE 1 – BEKANNTE HALBLEITENDE EIGENSCHAFTEN FÜR VERSCHIEDENE ANTIFLUORIT-ARTIGE LiM²⁺G^V-MATERIALIEN

Ein Verfahren der Radioisotop-Identifikation (RII) stammt von der Gamma-Photonen-Spektroskopie. Die Fähigkeit, Gamma-Photonen zu absorbieren und nachzuweisen, ist jedoch signifikant verbessert, wenn Elemente großer Atomzahlen, Z, vorhanden sind. Die antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien sind in der Lage, M²⁺- und G^V-Bestandteile mit hohen Z einzubauen. Die exakte Auswahl von Bestandteilen wird durch die Strukturstabilität der antifluorit-artigen Anordnung und das Auftreten halbleitender Eigenschaften bestimmt, die zum Gamma-Nachweis hoher Empfindlichkeit führen.
Zusätzlich zu einem direkten Bandspalt zeigen antifluorit-artige LiM²⁺G^V-Materialien bemerkenswerte Li-Stellendichten. Die entsprechenden Werte nähern sich denen der am meisten Li-tragenden bekannten Materialien. Wie in Tabelle II gezeigt, enthält, z. B., LiZnN etwa 3,40 × 10²² Li-Atome/cm³, gegenüber etwa 6,12 × 10²² Li-Atome/cm³ für LiF und etwa 4,63 × 10²² Li-Atome/cm³ für reines Li-Metall. Dieses Merkmal ist wichtig in Anbetracht der Rolle von ⁶Li beim Neutronennachweis.

Die Anreicherung von antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien an ⁶Li erzeugt Massenhalbleiter von außergewöhnlicher Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren. Die Zugänglichkeit zu dicken, sehr wirksamen Neutronen-Absorptionsvolumina ist ein Schlüsselmerkmal (und kompetitiver Vorteil) von antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien.

Zusammensetzung	Struktur	Gitter			ρ_Li (Atome/cm³)
Zusammensetzung	Struktur	Typ	Konstante (Å)	Z	ρ_Li (Atome/cm³)
M = Mg-Reihe
LiMgN	Antifluorit-Typ	kubisch	4,955	4	3,288 × 10²²
LiMgP	Antifluorit-Typ	kubisch	6,005	4	1,847 × 10²²
LiMgAs	Antifluorit-Typ	kubisch	6,181	4	1,694 × 10²²
M = Zn-Reihe
LiZnN	Antifluorit-Typ	kubisch	4,902	4	3,396 × 10²²
LiZnP	Antifluorit-Typ	kubisch	5,765	4	2,088 × 10²²
LiZnAs	Antifluorit-Typ	kubisch	5,936	4	1,912 × 10²²
M = Cd-Reihe
LiCdP	Antifluorit-Typ	kubisch	6,096	4	1,766 × 10²²
LiCdAs	Antifluorit-Typ	kubisch	6,262	4	1,629 × 10²²
LiCdSb	Antifluorit-Typ	kubisch	6,645	4	1,363 × 10²²

TABELLE II – KRISTALLOGRAFISCHE EIGENSCHAFTEN FÜR VERSCHIEDENE ANTIFLUORIT-ARTIGE LiN²⁺G^V-MATERIALIEN

Die Wirksamkeit von antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien bei der Strahlungsabsorption und dem Strahlungsnachweis zur Radioisotop-Identifikation (RII) stammt von der Ausbeutung sowohl ihres [1] halbleitenden Transportes und direkten Bandspaltes als auch ihrer [2] hoher Li-Stellendichte für ⁶Li-Anreicherung. Die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren, entweder durch Gamma-Photonen oder Produkte der ⁶Li(n,α)-Neutronen-Einfangreaktion bietet einen physikalischen Mechanismus, um einen Stromimpuls zum Verarbeiten durch (nicht gezeigte) geeignete Elektronik zu erzeugen. Diese Stromimpulse können analysiert werden, um das Energiespektrum jedes Strahlungstyps zu konstruieren.
Antifluorit-artige LiM²⁺G^V-Materialien können durch Zusammensetzungs-Modifikation ähnlich der dotiert werden, die bei kommerziellen Halbleitern praktiziert wird. Dieses Merkmal ist brauchbar, um die Halbleiter-Transporteigenschaften durch Einstellen der Trägerkonzentrationen (d. h., Elektron oder Loch) zu verbessern. So erzeugt, z. B., ein sehr geringer Überschuss an Li⁺ anstelle von Zn⁺⁺ in LiZnN einen p-Typ-Halbleiter mit erhöhter Lochkonzentration. Im Allgemeinen wird das Halbleiter-Dotieren jedoch durch Substituieren mit einem Element erzielt, das als ein Akzeptor oder Donator mit Bezug auf ein Bezugs-Bestandteilelement wirkt und so einen p-Typ-bzw. n-Typ-Halbleiter erzeugt. Beispiele in antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien schließen Mg für Li (d. h., Donator), Ag für Cd auf der M²⁺-Stelle (d. h. Akzeptor), S für P auf der G^V-Stelle (d. h. Donator) usw. ein. Eine vollständigere Ausdehnung ist ein Akzeptor oder Donator, ausgewählt aus der nicht einschränkenden Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Cu, Ag, Au, B, Al, Ga, In, Sc, Y, C, Si, Ge, Sn, O, S, Se und Te. Alternativ können Leerstellen-Defekte willkürlich mit ähnlicher Wirkung eingeführt werden. Dotierungskonzentrationen sind typischerweise sehr gering, üblicherweise weniger als 0,01% durch Substitution. Diese Verfahren sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
Zusammenfassend liefern antifluorit-artige LiM²⁺G^V-Materialien ausgezeichnete Fähigkeiten zur Radioisotop-Identifikation (RII) durch nur Gamma-Photonennachweis, nur Neutronenteilchen-Nachweis oder gleichzeitigen Gamma-Photonen- und Neutronen-Nachweis. Richtlinien für die Anwendung von antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Materialien sind im Folgenden aufgeführt:
NUR GAMMA-PHOTONENNACHWEIS
M²⁺- und G^V-Bestandteile mit hohem Z mit vernachlässigbaren Neutroneneinfangquerschnitten (< 0,1 Barn für thermische Neutronen bevorzugt) können benutzt werden. ⁶Li-Anreicherung ist unnötig. Wenn die Neutronenempfindlichkeit vernachlässigbar sein muss, verarme Li vollständig zu ⁷Li.
NUR NEUTRONENTEILCHEN-NACHWEIS
Vollständige ⁶Li-Anreicherung ist sehr bevorzugt, obwohl die Konzentration für die Anwendung angepasst werden kann. Muss Gammaempfindlichkeit vernachlässigbar sein, wähle M²⁺- und G^V-Bestandteile mit minimalem Z. Um unerwünschte Neutronen-Einfangreaktionen zu verhindern, sollten M²⁺- und G^V-Bestandteile minimale Neutroneneinfangquerschnitte (< 0,1 Barn für thermische Neutronen bevorzugt) aufweisen.
GLEICHZEITIGER GAMMA-PHOTONEN- UND NEUTRONENTEILCHEN-NACHWEIS
Wähle M²⁺- und G^V-Bestandteile mit hohem Z mit vernachlässigbaren Neutroneneinfangquerschnitten (< 0,1 Barn für thermische Neutronen bevorzugt). Vollständige ⁶Li-Anreicherung ist sehr bevorzugt, obwohl die Konzentration auf den erwünschten Bereich des Neutronenflusses eingestellt werden kann. Gleichzeitige Nachweisfähigkeit erfordert zusätzliche Impuls-Diskriminierungsverarbeitung, um zwischen zwei möglichen Ursprüngen des Signals zu unterscheiden, d. h., eine Neutronen- Wechselwirkung mit ⁶Li-Atomen oder eine Gamma-Photonen-Wechselwirkung, am wahrscheinlichsten mit den Elektronen der M²⁺- und G^V-Bestandteilatome mit hohem Z. Die Impuls-Diskriminierung kann (ohne darauf beschränkt zu sein) auf einem der folgenden Verfahren beruhen: [1] Impulsamplitudenschwelle, Nutzen der großen Energie, die durch den ⁶Li-Neutronenabsorptions-Vorfall freigesetzt wird (d. h., Q = 4,78 MeV), gegenüber der typischen Energie von Gammastrahlen in der Anwendung (d. h., unter 2 MeV); [2] Impulsanstiegzeit-Verfahren, das den Unterschied in der Dynamik der Paarerzeugung durch zwei Arten von Strahlung ausnutzt.
PHOTONENSTRAHLUNGS-ABSORPTION FÜR FOTOVOLTAISCHE ANWENDUNGEN
Li-Anreicherung oder -Verarmung unnötig (d. h., nutze natürliche Reichhaltigkeit). Wähle Zusammensetzungen, deren Bandspalte und Trägereigenschaften für den Photonen-Energiebereich optimal sind.
Die neuen antifluorit-artigen LiM²⁺G^V-Halbleiter haben viele Vorteile gegenüber konventionellen Strahlungsabsorptions- und -Nachweis-Materialien, einschließlich:

[1] Antifluorit-artige LiM²⁺G^V-Halbleiter ermöglichen den wahren „Massen”-Einbau eines Neutronen absorbierenden Isotops, was in direktem Kontrast zu strukturell ausgeklügelten Vorrichtungen mit 2D (z. B. Dünnfilm oder diffundierte Schicht)- oder 3D (z. B. perforierte Dioden oder Mikrosäulen-Halbleiter)-Strukturen steht. Die Zugänglichkeit zu dicken, sehr wirksamen Neutronen absorbierenden Materialien, die im Volumen leicht eingestellt werden können, ist ein Schlüsselunterschied bei der Leistungsfähigkeit gegenüber den ausgeklü gelten 2D- oder 3D-Vorrichtungen, insbesondere für die spektroskopische Identifikation rascher Neutronen (> 1 MeV).
[2] Die Nutzung von ⁶Li bleibt ein wichtiges unterscheidendes Merkmal, verglichen mit dem existierenden Stand der Technik mit ¹⁰B. Die ¹⁰B(n,α)-Neutroneneinfang-Reaktion verläuft über einen angeregten ⁷Li-Zwischenzustand, der beim Zerfall Gamma-Quanten von 0,478 MeV erzeugt. Diese Strahlung macht ¹⁰B wenig geeignet für Anwendungen, die einen spektroskopischen Nachweis erfordern. Vollständige oder teilweise Absorption der Gamma-Energie durch das Wirtsmaterial induziert große Unsicherheiten bei irgendeiner Neutronenenergie-Messung. Die ⁶Li(n,α)-Einfangreaktion verläuft jedoch direkt zum Grundzustand des Reaktionsproduktes ohne Gamma-Emission.
[3] Von den für den spektroskopischen Neutronennachweis gut geeigneten Isotopen (d. h., ³He oder ⁶Li), liefert nur ⁶Li einen natürlichen Pfad zur Feststoff-Ausführungsform – ein Nutzen, der ultrakompakte Detektoren zuverlässigen Betriebes in harschen Umgebungen ermöglicht. Dieser Unterschied bleibt kritisch, da ³He-gefüllte Rohre die dominante Technologie für den Neutronennachweis bleiben. Produkte auf der Grundlage gasförmiger Neutronendetektoren leiden an begrenzter Energieauflösung, Empfindlichkeit gegen Vibrationen und RF-Interferenz sowie Beschränkungen beim Transport und der Handhabung aufgrund ihrer Klassifikation als Druckbehälter.
[4] Die ⁶Li(n,α)-Einfangreaktion bringt zwei Vorteile: [1] Schwerteilchen-Produkte (d. h., α und ³T), deren kurze Eindringtiefen (< 35 μm) eine vollständige Energieübertragung in ein Wirtsmaterial sicherstellen, und [2] einen relativ großen Q-Wert von 4,78 MeV, verglichen mit 0,764 MeV für ³He(n,p). Diese Charakteristika, kombiniert mit dem Direktumwandlungs-Mechanismus eines Festkörperhalbleiters, ergeben signifikante Leistungsvorteile gegenüber ³He-Rohren. Weil der Q-Wert einer Einfangreaktion zur Energie eines auftreffenden Neutrons hinzugefügt wird (d. h. E_Neutron + 4,78 MeV) bietet, z. B., die höhere elektronische Schwelle von +4,78 MeV bessere Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse und eliminiert unechte Signale von Gammastrahlung.
[5] Halbleiter-Ionisationsenergien (d. h. ~3 eV) sind geringer als solche von ³He-Gasen (d. h. ~30 eV) und ergeben daher eine verbesserte Energieauflösung.
[6] Antifluorit-artige LiM²⁺G^V-Halbleiter bieten die Möglichkeit des gleichzeitigen Nachweises von Gamma-Photonen und Neutronenteilchen. Der Vorteil einer solchen Möglichkeit wird deutlich, wenn man in Betracht zieht, dass viele spezielle Nuklearmaterialien (SNM's) sowohl Gamma-Photonen- als auch Neutronenteilchen-Emission (z. B. waffenfähiges Pu oder U; gasförmiges UF₆ zur Anreicherung, usw.) präsentieren und/oder induzieren. Das Verbergen durch Abschirmung ist herausfordernder für die Neutronenkomponente und ergibt eine starke Motivation für den Einschluss Neutronen anzeigender Möglichkeiten bei der Radioisotop-Identifikation (RII).

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne dass man deren wesentlichen Umfang verlässt. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als beste Art der Ausführung dieser Erfindung offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Ein Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis, umfassend eine Zusammensetzung der Stöchiometrie Li(M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...)(G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...), die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, worin Li = 1,(M1²⁺ + M₂ ²⁺ + M₃ ²⁺ + ...) = 1 und (G₁ ^V + G₂ ^V + G₃ ^V + ...) = 1. Das Material liefert zwei brauchbare Charakteristika: [1] eine hohe Li-Stellendichte, die, wenn an ⁶Li angereichert, ausgezeichnete Neutronen absorbierende Fähigkeiten erzeugt und [2] einen halbleitenden Bandspalt für die wirksame Umwandlung absorbierter Photonen- und Neutronen-Energien in elektrische Ströme. Diese Charakteristika können in Anwendungen zur Energieerzeugung oder zum spektroskopischen Nachweis von Gamma- und Neutronen-Strahlung benutzt werden. Das Material kann so eingestellt werden, dass es nur Gamma-Photonen, nur Neutronenteilchen oder gleichzeitig Gamma-Photonen und Neutronenteilchen nachweist.

Claims

Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis, umfassend eine ternäre Zusammensetzung der Stöchiometrie LiM²⁺G^V, die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Anteile Li = 1, M²⁺ = 1 und G^V = 1 sind, wobei ein Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung erzeugt wird und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses nachgewiesen wird.
Material nach Anspruch 1, worin M²⁺ ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg; Ca, Sr, Ba, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Os, Cr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn und Pb.
Material nach Anspruch 1, worin G^V ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus N, P, As, Sb, Bi.
Material nach Anspruch 1, worin Li ⁶Li umfasst und worin M²⁺ und G^V beide einen thermischen Neutronenquerschnitt von weniger als 0,1 Barn aufweisen.
Material nach Anspruch 1, worin Li im Wesentlichen aus ⁷Li besteht und worin M²⁺ und G^V beide einen thermischen Neutronenquerschnitt von weniger als 0,1 Barn aufweisen.
Material nach Anspruch 1, worin das Material Photonen zum Erzeugen elektrischer Energie absorbiert.
Material nach Anspruch 1, worin das Material Neutronen zum Erzeugen elektrischer Energie absorbiert.
Material nach Anspruch 1, worin das Material mit einem Element dotiert ist, das als ein Akzeptor oder Donator für Li, M²⁺ oder G^V dient, und dadurch einen p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter erzeugt.
Material nach Anspruch 8, worin das Element, das als ein Akzeptor oder Donator dient, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Cu, Ag, Au, B, Al, Ga, In, Sc, Y, C, Si, Ge, Sn, O, S, Se und Te.
Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis, umfassend eine gemischte Zusammensetzung der Stöchiometrie Li(M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) (G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...), die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li = 1,(M₁ ²⁺ + M₂ ²⁺ + M₂ ²⁺ ...) = 1 und (G₁ ^V + G₂ ^V + G₃ ^V + ...) = 1 sind, wobei eine Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung erzeugt wird und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses nachgewiesen wird.
Material nach Anspruch 10, worin (M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg; Ca, Sr, Ba, V, Cr, Mn, Fe, Ru, Os, Cr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn und Pb und deren Zusammensetzungen.
Material nach Anspruch 10, worin (G₁ ^V + G₂ ^V + G₃ ^V + ...) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus N, P, As, Sb, Bi und deren Kombinationen.
Material nach Anspruch 10, worin Li ⁶Li umfasst und worin (M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) und (G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...) beide einen thermischen Neutronenquerschnitt von weniger als 0,1 Barn aufweisen.
Material nach Anspruch 10, worin Li im Wesentlichen aus ⁷Li besteht und worin (M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) und (G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...) beide einen thermischen Neutronenquerschnitt von weniger als 0,1 Barn aufweisen.
Material nach Anspruch 10, worin das Material Photonen zum Erzeugen elektrischer Energie absorbiert.
Material nach Anspruch 10, worin das Material Neutronen zum Erzeugen elektrischer Energie absorbiert.
Material nach Anspruch 10, worin das Material mit einem Element dotiert ist, das als ein Akzeptor oder Donator für Li, (M₁ ²⁺, M₂ ²⁺, M₃ ²⁺, ...) oder (G₁ ^V, G₂ ^V, G₃ ^V, ...) dient, wodurch ein p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter erzeugt wird.
Material nach Anspruch 17, worin das Element, das als ein Akzeptor oder Donator dient, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Cu, Ag, Au, B, Al, Ga, In, Sc, Y, C, Si, Ge, Sn, O, S, Se und Te.