基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的x射線和帶電粒子探測(cè)器及探測(cè)方法
【專利摘要】基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器及探測(cè)方法，屬于輻射探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及給出了新型X射線和帶電粒子探測(cè)器結(jié)構(gòu)；包括半導(dǎo)體基底、柵極電極、絕緣緩沖層、源極電極、漏極電極、石墨烯探測(cè)層、石墨烯電壓測(cè)量電極和恒定電流供應(yīng)電極；本發(fā)明的探測(cè)器可同時(shí)具有較高能量分辨率和時(shí)間分辨率，適用于X射線脈沖星導(dǎo)航以及傳統(tǒng)輻射探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域，用于X射線以及α射線和β射線等帶電粒子的探測(cè)。
【專利說(shuō)明】基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器及探測(cè)方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒 子探測(cè)器，以及X射線和帶電粒子的探測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] X射線脈沖星導(dǎo)航為航天器長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航提供了一種可行途徑。脈沖星 導(dǎo)航探測(cè)器要求具有高能量分辨率、高時(shí)間分辨率、大面積、重量輕、體積小、具備一定的成 像能力以及不需低溫制冷等特點(diǎn)，然而目前尚無(wú)一種X射線探測(cè)器能同時(shí)滿足以上要求， 因而需要探索一種新的X射線探測(cè)方法，推動(dòng)脈沖星導(dǎo)航的工程化應(yīng)用。
[0003] 2004年，Novoselov和Geim等人利用機(jī)械剝離的方法制備得到單層石墨烯，證 明了二維材料在周?chē)h(huán)境下是可以自由穩(wěn)定存在的，并由此引發(fā)了石墨烯等二維材料研究 的熱潮。石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的具有二維蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有零帶 隙能帶結(jié)構(gòu)、高電子遷移率、低電阻率、高導(dǎo)熱性和高力學(xué)強(qiáng)度等優(yōu)異特性。石墨烯在室 溫下的電子遷移率為15000cm 2/V/s，理論極限為2. 0X105cm2/V/s ;電阻率為10_6Ω · cm， 低于銀的電阻率1.6Χ1(Γ6Ω ·_，是目前發(fā)現(xiàn)的電阻率最低的材料。"p-型石墨烯薄膜/ η-型Ge肖特基結(jié)近紅外光電探測(cè)器及其制備方法"（201310202625. 1)發(fā)明專利提出利 用石墨烯/Ge肖特基結(jié)來(lái)對(duì)近紅外光進(jìn)行探測(cè)。"基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管光探測(cè) 器及其應(yīng)用"（201310036555. 7)發(fā)明專利提出利用石墨烯晶體管對(duì)可見(jiàn)光到紅外波段進(jìn) 行探測(cè)。"基于單層石墨烯/氧化鋅納米棒陣列肖特基結(jié)的紫外光電探測(cè)器及其制備方 法"(201310287477. 8)發(fā)明專利提出利用石墨烯/氧化鋅納米棒陣列肖特基結(jié)對(duì)紫外光進(jìn) 行探測(cè)。"具有光電導(dǎo)效應(yīng)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及紅外探測(cè)器"（201110082999. 5)發(fā) 明專利提出利用石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)。目前，尚未見(jiàn)到利用石墨烯材料 及其電場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)用于X射線和帶電粒子探測(cè)的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就在于：克服傳統(tǒng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器難以同時(shí)獲得較高能 量分辨率和時(shí)間分辨率的缺點(diǎn)，提供一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器 及探測(cè)方法，可同時(shí)獲得較高能量分辨率和時(shí)間分辨率，為X射線脈沖星導(dǎo)航以及其他X射 線和帶電粒子探測(cè)場(chǎng)合提供更好的探測(cè)手段。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：
[0006] -種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，包括：基底、柵極電極、絕 緣緩沖層、源極電極、漏極電極、探測(cè)層、電壓測(cè)量電極和恒定電流供應(yīng)電極；
[0007] 基底作為所述探測(cè)器的X射線或帶電粒子的吸收體，所述基底的下表面鍍制柵極 電極；基底的上表面為絕緣緩沖層，所述絕緣緩沖層覆蓋基底；基底中有源極電極和漏極 電極；源極電極和漏極電極形狀相同，均為條形長(zhǎng)方體，對(duì)稱分布于基底的兩側(cè)且與絕緣緩 沖層的下表面緊密貼合；探測(cè)層緊貼在絕緣緩沖層的上表面上，且位于絕緣緩沖層的中部； 電壓測(cè)量電極和恒定電流供應(yīng)電極均為條形電極，電壓測(cè)量電極和恒定電流供應(yīng)電極固定 在探測(cè)層上表面，電壓測(cè)量電極包括電壓測(cè)量電極正極和電壓測(cè)量電極負(fù)極，恒定電流供 應(yīng)電極包括恒定電流供應(yīng)電極正極和恒定電流供應(yīng)電極負(fù)極；電壓測(cè)量電極正極和電壓 測(cè)量電極負(fù)極位于探測(cè)層中心的兩側(cè)，恒定電流供應(yīng)電極正極位于電壓測(cè)量電極正極的外 偵牝恒定電流供應(yīng)電極負(fù)極位于電壓測(cè)量電極負(fù)極的外側(cè)；源極電極、漏極電極、電壓測(cè)量 電極和恒定電流供應(yīng)電極之間兩兩平行。
[0008] 所述恒定電流供應(yīng)電極用于為探測(cè)層提供恒定電流，所述電壓測(cè)量電極用于測(cè)量 探測(cè)層的電壓降。
[0009] 恒定電流供應(yīng)電極正極和柵極電極之間形成電場(chǎng)，使得入射的X射線或者帶電粒 子在基底中電離產(chǎn)生的電子向探測(cè)層移動(dòng)。
[0010] 所述源極電極和漏極電極之間形成電場(chǎng)，使得探測(cè)層下方匯集的電子在所述電場(chǎng) 的作用下漂移到漏極電極而排出。
[0011] 所述基底為半導(dǎo)體材料，柵極電極、源極電極、漏極電極、電壓測(cè)量電極和恒定電 流供應(yīng)電極均為金屬電極，絕緣緩沖層為絕緣材料，探測(cè)層為石墨烯材料。
[0012] 基底為硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、碲化鎘、碲鋅鎘或銻化銦材料；柵極電極、源極電 極、漏極電極、電壓測(cè)量電極和恒定電流供應(yīng)電極為A1電極、Ag電極、Au電極、Ti電極或 Cu電極；絕緣緩沖層為二氧化硅、氧化鋁或氮化硅材料；探測(cè)層為單晶單層石墨烯或雙層 石墨烯材料。
[0013] 所述基底的厚度為100-5000 μ m，長(zhǎng)和寬均為0.5?2cm;絕緣緩沖層的厚度為 100-1000nm，探測(cè)層的長(zhǎng)和寬均為5?100 μ m。
[0014] 可以利用多個(gè)探測(cè)器組成探測(cè)陣列，來(lái)增加探測(cè)面積。
[0015] 一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)方法，步驟如下：
[0016] (1)X射線光子入射到所述X射線和帶電粒子探測(cè)器的基底，在其中電離產(chǎn)生電子

【權(quán)利要求】
1. 一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特征在于包括：基底（1)、 柵極電極（2)、絕緣緩沖層（3)、源極電極（4)、漏極電極（5)、探測(cè)層（6)、電壓測(cè)量電極（7) 和恒定電流供應(yīng)電極（8); 基底（1)作為所述探測(cè)器的X射線或帶電粒子的吸收體，所述基底（1)的下表面鍍制 柵極電極（2);基底（1)的上表面為絕緣緩沖層（3)，所述絕緣緩沖層（3)覆蓋基底（1);基 底⑴中有源極電極⑷和漏極電極（5);源極電極⑷和漏極電極（5)形狀相同，均為條 形長(zhǎng)方體，對(duì)稱分布于基底（1)的兩側(cè)且與絕緣緩沖層（3)的下表面緊密貼合；探測(cè)層（6) 緊貼在絕緣緩沖層（3)的上表面上，且位于絕緣緩沖層（3)的中部；電壓測(cè)量電極（7)和 恒定電流供應(yīng)電極（8)均為條形電極，電壓測(cè)量電極（7)和恒定電流供應(yīng)電極（8)固定在 探測(cè)層（6)上表面，電壓測(cè)量電極（7)包括電壓測(cè)量電極正極（71)和電壓測(cè)量電極負(fù)極 (72)，恒定電流供應(yīng)電極（8)包括恒定電流供應(yīng)電極正極（81)和恒定電流供應(yīng)電極負(fù)極 (82);電壓測(cè)量電極正極（71)和電壓測(cè)量電極負(fù)極（72)位于探測(cè)層（6)中心的兩側(cè)，恒定 電流供應(yīng)電極正極（81)位于電壓測(cè)量電極正極（71)的外側(cè)，恒定電流供應(yīng)電極負(fù)極（82) 位于電壓測(cè)量電極負(fù)極（72)的外側(cè)；源極電極（4)、漏極電極（5)、電壓測(cè)量電極（7)和恒 定電流供應(yīng)電極（8)之間兩兩平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特 征在于：所述恒定電流供應(yīng)電極（8)用于為探測(cè)層（6)提供恒定電流，所述電壓測(cè)量電極 (7)用于測(cè)量探測(cè)層（6)的電壓降。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特 征在于：恒定電流供應(yīng)電極正極（81)和柵極電極⑵之間形成電場(chǎng)，使得入射的X射線或 者帶電粒子在基底（1)中電離產(chǎn)生的電子向探測(cè)層（6)移動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特 征在于：所述源極電極⑷和漏極電極（5)之間形成電場(chǎng)，使得探測(cè)層（6)下方匯集的電子 在所述電場(chǎng)的作用下漂移到漏極電極（5)而排出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其 特征在于：所述基底⑴為半導(dǎo)體材料，柵極電極⑵、源極電極（4)、漏極電極（5)、電壓測(cè) 量電極（7)和恒定電流供應(yīng)電極（8)均為金屬電極，絕緣緩沖層（3)為絕緣材料，探測(cè)層 (6)為石墨烯材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特 征在于：基底（1)為硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、碲化鎘、碲鋅鎘或銻化銦材料；柵極電極（2)、源 極電極（4)、漏極電極（5)、電壓測(cè)量電極（7)和恒定電流供應(yīng)電極⑶為A1電極、Ag電極、 Au電極、Ti電極或Cu電極；絕緣緩沖層（3)為二氧化硅、氧化鋁或氮化硅材料；探測(cè)層（6) 為單晶單層石墨烯或雙層石墨烯材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其特 征在于：所述基底（1)的厚度為100-5000 μ m，長(zhǎng)和寬均為0. 5?2cm ;絕緣緩沖層（3)的厚 度為100-1000nm，探測(cè)層（6)的長(zhǎng)和寬均為5?100 μ m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)器，其 特征在于：可以利用多個(gè)探測(cè)器組成探測(cè)陣列，來(lái)增加探測(cè)面積。
9. 一種基于石墨烯電場(chǎng)效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測(cè)方法，其特征在于步驟如下：
(3) 根據(jù)石墨烯的電場(chǎng)效應(yīng)曲線和所述電子匯集后產(chǎn)生的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)E，確定匯集電 荷產(chǎn)生的電場(chǎng)引起探測(cè)層￠)電阻值發(fā)生的改變量AR; (4) 恒定電流供應(yīng)電極（8)為探測(cè)層（6)提供恒定電流，通過(guò)該恒定電流與所述探測(cè)層 (6)電阻值發(fā)生的改變量AR計(jì)算探測(cè)器的輸出電壓信號(hào)AV; (5) 根據(jù)探測(cè)器輸出電壓信號(hào)AV的幅值以及探測(cè)器的標(biāo)定曲線，得到入射X射線能 量；根據(jù)探測(cè)器輸出電壓信號(hào)的上升沿，得到入射X射線的時(shí)間；
【文檔編號(hào)】G01T1/26GK104062676SQ201410234296
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】吳耀軍, 帥平, 貝曉敏, 張倩 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院