Keithley在基于鈣鈦礦體系的粒子射線(xiàn)探測中的應用

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電離輻射如x射線(xiàn)和γ射線(xiàn)已被廣泛研究和應用于醫學(xué)成像、射線(xiàn)無(wú)損檢測、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。

因此，用高靈敏度和低成本的材料和設備來(lái)檢測這種高能輻射是非常重要的。鹵化物鈣鈦礦與商業(yè)硅(Si)和非晶硒(a-Se)相比，具有光吸收系數大、電阻率大、漏電流小、遷移率高、合成和加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為輻射探測的有希望的候選者。

基于鈣鈦礦體系的射線(xiàn)探測器相比傳統探測器具有以下幾個(gè)主要優(yōu)勢：

●   高靈敏度：全無(wú)機金屬鹵化物鈣鈦礦具有高 X 射線(xiàn)衰減系數，能夠有效吸收例如 X 射線(xiàn)，提高探測靈敏度。

●   直接轉換：鈣鈦礦材料可以直接將 X 射線(xiàn)轉換成電信號，避免了間接探測器中的二次光電轉換，從而提高了光電轉換效率。

●   高空間分辨率：由于直接轉換的特性，鈣鈦礦 X 射線(xiàn)探測器可以實(shí)現更高的空間分辨率。

●   低輻射劑量：高靈敏度意味著(zhù)可以在較低的 X 射線(xiàn)劑量下獲得清晰圖像，有利于降低輻射風(fēng)險。

●   優(yōu)良的載流子傳輸性能：鈣鈦礦材料具有高載流子遷移率和長(cháng)載流子壽命，有利于提高探測效率。

●   材料穩定性：全無(wú)機鈣鈦礦相比有機 - 無(wú)機雜化鈣鈦礦具有更好的穩定性。

●   可調控性：鈣鈦礦材料的組分和結構可以靈活調控，以適應不同的應用需求。

●   制備工藝簡(jiǎn)單：相比傳統半導體材料，鈣鈦礦材料可以通過(guò)溶液法等簡(jiǎn)單工藝制備，有利于降低成本和實(shí)現大面積制備。

基于鈣鈦礦體系的研究主要包括材料開(kāi)發(fā)、電極工程、能帶工程等開(kāi)展，目標為了研發(fā)出靈敏度更高、檢測極限更低、響應時(shí)間更快的器件。同時(shí)也在大面積工藝制備方面研究，提高穩定性和良率，并且做到環(huán)境友好無(wú)污染，不斷降低成本，加速商用化進(jìn)程。

Tektronix/Keithley提供了專(zhuān)業(yè)高精度的電測儀器，廣泛的應用于鈣鈦礦體系的研究中，其中6514/6517B，用于暗電流的測量，可對器件進(jìn)行不同的偏壓激勵，暗電流測試精度可達到 aA 量級；傳統的鈣鈦礦 Qe、開(kāi)路電壓、電路電流等可以利用光伏模擬系統測量基本參數，利用 2450 系列的源表對全部電參數進(jìn)行測試；在大規模鈣鈦礦探測器陣列的研究中，還提供了 2612B 和 3706，實(shí)現對陣列單元的尋址和高精度光生電流的探測，為大規模成像芯片提供設計架構和性能的充分驗證。

案例一：異質(zhì)外延鈍化Cs2AgBiBr6晶片以抑制離子遷移，用于X射線(xiàn)成像

x 射線(xiàn)探測器廣泛應用于醫學(xué)成像和產(chǎn)品檢測。鈣鈦礦的鹵化物在直接 x 射線(xiàn)探測中表現出優(yōu)異的性能。然而 , 離子遷移引起較大的噪聲和基線(xiàn)漂移，限制了檢測和成像性能。該文的工作通過(guò)引入氧化溴化鉍 (BiOBr) 作為異質(zhì)外延鈍化層制備 (Cs2AgBiBr6) 多晶片，抑制離子遷移。

該案例中采用 6517B 對器件噪聲即暗電流進(jìn)行標準，如圖 e，為器件極限性能提供了充足的測試余量，確保新器件的性能的精確表征（器件噪聲密度距離 6517B 實(shí)際噪聲密度有 6 個(gè)數量級）。

案例二：通過(guò)蒸氣沉積法制備的鈣鈦礦光電探測器交叉陣列，用于動(dòng)態(tài)成像

光電探測器crossbar陣列的特性: 對于靜態(tài)成像，該陣列通過(guò)多通道掃描系統進(jìn)行了測試。Keithley 3706A開(kāi)關(guān)卡 (Keithley 3730矩陣卡)用于選擇行和列以確定要測試的像素，Keithley 2612B源表用于測量電流與電壓特性。

使用2612B測試的不同bias下器件電流的的響應度；器件結構中上層blocking diode的特性曲線(xiàn)；

采用 3706 和 2612B 實(shí)現對 4X4 陣列測試示意圖。通過(guò)對不同器件的選通，順序的完成每一個(gè)鈣鈦礦器件光電流的采集，最后進(jìn)行圖像處理及顯示。

吉時(shí)利儀器在此應用中優(yōu)勢特征：

1.6517B多功能儀器，測量高輸入阻抗、低電流(<1pA)、電荷和高電阻的電壓，超出了傳統數字萬(wàn)用表的能力。電阻測量高達 1016Ω;內置±1kV電壓源，具有偏壓掃描能力;

6517B

2.2612B系列源表高精度雙通道源表，雙通道高精的能力，100nV電壓分辨率、100fA電流分辨率。

2612B

3.3706矩陣開(kāi)關(guān)，具有高性能系統開(kāi)關(guān)，緊湊的2U高外殼中可以包含6個(gè)插卡插槽，可輕松滿(mǎn)足中高通道數應用的需求，實(shí)現密集成的開(kāi)關(guān)和測量解決方案。

3706

4.TSP-Link程控接口，內置處理器使得智能儀器成為可能，存儲TSP腳本到儀器內部，儀器自主完成測試，減少與上位機的總線(xiàn)通信時(shí)間，提高吞吐量，對于大批量的生產(chǎn)線(xiàn)尤為重要。