【“源”察秋毫系列】Keithley 在基于鈣鈦礦體系的粒子射線探測中的應用

電離輻射如x射線和γ射線已被廣泛研究和應用于醫(yī)學成像、射線無損檢測、科學研究等各個領(lǐng)域。

因此，用高靈敏度和低成本的材料和設(shè)備來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(shù)大、電阻率大、漏電流小、遷移率高、合成和加工簡單等優(yōu)點，成為輻射探測的有希望的候選者。

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

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

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

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

● 低輻射劑量：高靈敏度意味著可以在較低的 X 射線劑量下獲得清晰圖像，有利于降低輻射風險。

● 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載流子壽命，有利于提高探測效率。

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

● 可調(diào)控性：鈣鈦礦材料的組分和結(jié)構(gòu)可以靈活調(diào)控，以適應不同的應用需求。

● 制備工藝簡單：相比傳統(tǒng)半導體材料，鈣鈦礦材料可以通過溶液法等簡單工藝制備，有利于降低成本和實現(xiàn)大面積制備。

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

Tektronix/Keithley 提供了專業(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，可對器件進行不同的偏壓激勵，暗電流測試精度可達到 aA 量級；傳統(tǒng)的鈣鈦礦 Qe、開路電壓、電路電流等可以利用光伏模擬系統(tǒng)測量基本參數(shù)，利用 2450 系列的源表對全部電參數(shù)進行測試；在大規(guī)模鈣鈦礦探測器陣列的研究中，還提供了 2612B 和 3706，實現(xiàn)對陣列單元的尋址和高精度光生電流的探測，為大規(guī)模成像芯片提供設(shè)計架構(gòu)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 射線成像

x 射線探測器廣泛應用于醫(yī)學成像和產(chǎn)品檢測。鈣鈦礦的鹵化物在直接 x 射線探測中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而 , 離子遷移引起較大的噪聲和基線漂移，限制了檢測和成像性能。該文的工作通過引入氧化溴化鉍 (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 實際噪聲密度有 6 個數(shù)量級）。

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

光電探測器 crossbar 陣列的特性: 對于靜態(tài)成像，該陣列通過多通道掃描系統(tǒng)進行了測試。Keithley 3706A開關(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(jié)構(gòu)中上層 blocking diode 的 特性曲線；

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

吉時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(tǒng)數(shù)字萬用表的能力。電阻測量高達 1016Ω;內(nèi)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矩陣開關(guān)，具有高性能系統(tǒng)開關(guān)，緊湊的2U高外殼中可以包含6個插卡插槽，可輕松滿足中高通道數(shù)應用的需求，實現(xiàn)密集成的開關(guān)和測量解決方案。

3706

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

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