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带你了解潜力新材料——碲锌镉
时间:2023-06-29 14:38:17浏览次数:203次

日常生活中我们经常遇到射线,如医疗成像,安检,就连仰望天空,也会有天体辐射。医疗设备、工业CT、安检设备、核仪器、天文仪器、科学仪器等等这些方面都避免不了。


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面对辐射,我们会有一种恐惧感,想着辐射越少越好,不然会影响身体康健。想要射线少,那检测设备就得很灵敏。这考验的是辐射探测器的能力,能力强,则可以降低辐射源而不降低检测目标。对不同的射线,探测器的常用材料也不同。

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碲锌镉




有一种神奇材料名叫碲锌镉,英文名称cadmium zinc telluride,CdZnTe,简写为CZT。自然界中并不现存有该物质,它是人工用碲、锌及镉三种单质(包含其它微量添加物质)化合生长而成单晶体,是属于第三代前沿战略性的半导体材料,是当前国际国内制造室温中红外探测、X射线探测、γ射线探测、核辐射及高能射线等探测器最为先进、优异的材料。


碲锌镉具有两大特点:

1.室温可工作;
2.转换效率最高,即可以最大限度的降低射线的辐射量


这让人类对碲锌镉充满了期待,期待选它做辐射探测器的好材料。

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不过该材料不太容易做成特纯净的晶体,内部有杂质也就是晶体缺陷,导致探测器性能变差。比如加碲、锌、镉材料不同配比,计算稍有偏差,就可能出现本征点缺陷、沉淀相等。或者晶体生长过程中固液界面失稳,就产生夹杂相。

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测试缺陷




测试缺陷一般会用LBIC法,也就是激光诱导瞬态光电流,通过在不同的输入脉冲输入电压下,分析响应电流时间和幅度曲线,可推导载流子的输运过程。

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▲载流子输运过程,蓝色是电子,黄色是空穴


下图测试了两组曲线,蓝色与红色明显有不同

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实看两个碲锌镉晶体,缺陷也是明显不同。蓝色CZT1,就是点缺陷,而红色CZT2,则是一个明显的扩展缺陷。


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▲扩展缺陷示意图

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扩展缺陷是因为化学成分或者结构不同,引入了不同的电子态。扩展缺陷与独立点缺陷有着本质的不同,点缺陷的俘获、去俘获行为是独立的,不受其他点缺陷影响。而扩展缺陷,他们的电子态挨在一起的,如果一个电子态有俘获去俘获行为,就牵扯到周围电子态的动作。

扩展缺陷到底是什么原因,造成什么影响,业界也没个统一的说法。一般有两种预测,一种是或许因为扩展缺陷周围存在一个肖特基势垒和空间电荷区,影响了载流子的迁移率和电场分布;一种又或者是受到受辐照时,扩展缺陷成了少子的势阱,使少子在扩展缺陷区复合。这些也许,就是未来科学家们继续揭秘和探索的过程。





碲锌镉半导体材料的应用




在军事用途上,主要是大幅提升武备的红外探测性能及其成像清晰度,而当前国际上武备九成以上均是以红外探测方式搜寻和发现目标的。

在民用领域,未来主要应用于核医疗、放射源检测、无破损检测、核辐射探测、探温探源检测及夜视等领域、行业的设备、仪器的制造。其核心作用与意义在于更新迭代前述行业的设备、仪器的工艺、功能及性能,提升产业结构,助力国内这些行业同代等差参与国际竞争。

更主要的是,碲锌镉半导体材料及器件可以提高核医疗、核辐射剂量、安检等设备仪器(如CT机、X光机、安检仪器等)功能与性能,降低放射源剂量,广泛惠及民众的医疗水平及健康。

正因该材料在军事及民用领域具有诸多革新、颠覆性的功能与性能,国际上少数几个能生产制造的先进国家都将其列为战略性、管制性的产品,对我国进行技术与产品的双封锁。



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