基于石墨烯電場效應的x射線和帶電粒子探測器及探測方法
【專利摘要】基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器及探測方法，屬于輻射探測【技術領域】，涉及給出了新型X射線和帶電粒子探測器結構；包括半導體基底、柵極電極、絕緣緩沖層、源極電極、漏極電極、石墨烯探測層、石墨烯電壓測量電極和恒定電流供應電極；本發(fā)明的探測器可同時具有較高能量分辨率和時間分辨率，適用于X射線脈沖星導航以及傳統(tǒng)輻射探測器的應用領域，用于X射線以及α射線和β射線等帶電粒子的探測。
【專利說明】基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器及探測方 法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射探測【技術領域】，涉及一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒 子探測器，以及X射線和帶電粒子的探測方法。

【背景技術】
[0002] X射線脈沖星導航為航天器長時間高精度自主導航提供了一種可行途徑。脈沖星 導航探測器要求具有高能量分辨率、高時間分辨率、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，然而目前尚無一種X射線探測器能同時滿足以上要求， 因而需要探索一種新的X射線探測方法，推動脈沖星導航的工程化應用。
[0003] 2004年，Novoselov和Geim等人利用機械剝離的方法制備得到單層石墨烯，證 明了二維材料在周圍環(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成的具有二維蜂窩晶格結構的新材料，具有零帶 隙能帶結構、高電子遷移率、低電阻率、高導熱性和高力學強度等優(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肖特基結近紅外光電探測器及其制備方法"（201310202625. 1)發(fā)明專利提出利 用石墨烯/Ge肖特基結來對近紅外光進行探測。"基于超材料結構的石墨烯晶體管光探測 器及其應用"（201310036555. 7)發(fā)明專利提出利用石墨烯晶體管對可見光到紅外波段進 行探測。"基于單層石墨烯/氧化鋅納米棒陣列肖特基結的紫外光電探測器及其制備方 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對紫外光進 行探測。"具有光電導效應的石墨烯場效應晶體管以及紅外探測器"（201110082999. 5)發(fā) 明專利提出利用石墨烯場效應晶體管對紅外光進行探測。目前，尚未見到利用石墨烯材料 及其電場效應應用于X射線和帶電粒子探測的報道。


【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器難以同時獲得較高能 量分辨率和時間分辨率的缺點，提供一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器 及探測方法，可同時獲得較高能量分辨率和時間分辨率，為X射線脈沖星導航以及其他X射 線和帶電粒子探測場合提供更好的探測手段。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案：
[0006] -種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，包括：基底、柵極電極、絕 緣緩沖層、源極電極、漏極電極、探測層、電壓測量電極和恒定電流供應電極；
[0007] 基底作為所述探測器的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，均為條形長方體，對稱分布于基底的兩側且與絕緣緩 沖層的下表面緊密貼合；探測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； 電壓測量電極和恒定電流供應電極均為條形電極，電壓測量電極和恒定電流供應電極固定 在探測層上表面，電壓測量電極包括電壓測量電極正極和電壓測量電極負極，恒定電流供 應電極包括恒定電流供應電極正極和恒定電流供應電極負極；電壓測量電極正極和電壓 測量電極負極位于探測層中心的兩側，恒定電流供應電極正極位于電壓測量電極正極的外 偵牝恒定電流供應電極負極位于電壓測量電極負極的外側；源極電極、漏極電極、電壓測量 電極和恒定電流供應電極之間兩兩平行。
[0008] 所述恒定電流供應電極用于為探測層提供恒定電流，所述電壓測量電極用于測量 探測層的電壓降。
[0009] 恒定電流供應電極正極和柵極電極之間形成電場，使得入射的X射線或者帶電粒 子在基底中電離產(chǎn)生的電子向探測層移動。
[0010] 所述源極電極和漏極電極之間形成電場，使得探測層下方匯集的電子在所述電場 的作用下漂移到漏極電極而排出。
[0011] 所述基底為半導體材料，柵極電極、源極電極、漏極電極、電壓測量電極和恒定電 流供應電極均為金屬電極，絕緣緩沖層為絕緣材料，探測層為石墨烯材料。
[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、電壓測量電極和恒定電流供應電極為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，長和寬均為0.5?2cm;絕緣緩沖層的厚度為 100-1000nm，探測層的長和寬均為5?100 μ m。
[0014] 可以利用多個探測器組成探測陣列，來增加探測面積。
[0015] 一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測方法，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器的基底，在其中電離產(chǎn)生電子

【權利要求】
1. 一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，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)、探測層（6)、電壓測量電極（7) 和恒定電流供應電極（8); 基底（1)作為所述探測器的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 形長方體，對稱分布于基底（1)的兩側且與絕緣緩沖層（3)的下表面緊密貼合；探測層（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；電壓測量電極（7)和 恒定電流供應電極（8)均為條形電極，電壓測量電極（7)和恒定電流供應電極（8)固定在 探測層（6)上表面，電壓測量電極（7)包括電壓測量電極正極（71)和電壓測量電極負極 (72)，恒定電流供應電極（8)包括恒定電流供應電極正極（81)和恒定電流供應電極負極 (82);電壓測量電極正極（71)和電壓測量電極負極（72)位于探測層（6)中心的兩側，恒定 電流供應電極正極（81)位于電壓測量電極正極（71)的外側，恒定電流供應電極負極（82) 位于電壓測量電極負極（72)的外側；源極電極（4)、漏極電極（5)、電壓測量電極（7)和恒 定電流供應電極（8)之間兩兩平行。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特 征在于：所述恒定電流供應電極（8)用于為探測層（6)提供恒定電流，所述電壓測量電極 (7)用于測量探測層（6)的電壓降。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特 征在于：恒定電流供應電極正極（81)和柵極電極⑵之間形成電場，使得入射的X射線或 者帶電粒子在基底（1)中電離產(chǎn)生的電子向探測層（6)移動。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特 征在于：所述源極電極⑷和漏極電極（5)之間形成電場，使得探測層（6)下方匯集的電子 在所述電場的作用下漂移到漏極電極（5)而排出。
5. 根據(jù)權利要求1-4所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其 特征在于：所述基底⑴為半導體材料，柵極電極⑵、源極電極（4)、漏極電極（5)、電壓測 量電極（7)和恒定電流供應電極（8)均為金屬電極，絕緣緩沖層（3)為絕緣材料，探測層 (6)為石墨烯材料。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，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)、電壓測量電極（7)和恒定電流供應電極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；探測層（6) 為單晶單層石墨烯或雙層石墨烯材料。
7. 根據(jù)權利要求5所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特 征在于：所述基底（1)的厚度為100-5000 μ m，長和寬均為0. 5?2cm ;絕緣緩沖層（3)的厚 度為100-1000nm，探測層（6)的長和寬均為5?100 μ m。
8. 根據(jù)權利要求1-7所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其 特征在于：可以利用多個探測器組成探測陣列，來增加探測面積。
9. 一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測方法，其特征在于步驟如下：
(3) 根據(jù)石墨烯的電場效應曲線和所述電子匯集后產(chǎn)生的電場的場強E，確定匯集電 荷產(chǎn)生的電場引起探測層￠)電阻值發(fā)生的改變量AR; (4) 恒定電流供應電極（8)為探測層（6)提供恒定電流，通過該恒定電流與所述探測層 (6)電阻值發(fā)生的改變量AR計算探測器的輸出電壓信號AV; (5) 根據(jù)探測器輸出電壓信號AV的幅值以及探測器的標定曲線，得到入射X射線能 量；根據(jù)探測器輸出電壓信號的上升沿，得到入射X射線的時間；
【文檔編號】G01T1/26GK104062676SQ201410234296
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權日:2014年5月29日
【發(fā)明者】吳耀軍, 帥平, 貝曉敏, 張倩 申請人:中國空間技術研究院