[發(fā)明專利]基于石墨烯電場效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測器及探測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410234296.3
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN104062676A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳耀軍;帥平;貝曉敏;張倩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空間技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G01T1/26
• 分類號(hào): G01T1/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于輻射探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于石墨烯電場效應(yīng)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(shù)

X射線脈沖星導(dǎo)航為航天器長時(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)，然而目前尚無一種X射線探測器能同時(shí)滿足以上要求，因而需要探索一種新的X射線探測方法，推動(dòng)脈沖星導(dǎo)航的工程化應(yīng)用。

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(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15000cm²/V/s，理論極限為2.0×10⁵cm²/V/s；電阻率為10^-6Ω·cm，低于銀的電阻率1.6×10^-6Ω·cm，是目前發(fā)現(xiàn)的電阻率最低的材料?！皃-型石墨烯薄膜/n-型Ge肖特基結(jié)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(jié)來對近紅外光進(jìn)行探測。“基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管光探測器及其應(yīng)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(jìn)行探測?！盎趩螌邮?氧化鋅納米棒陣列肖特基結(jié)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(jié)對紫外光進(jìn)行探測。“具有光電導(dǎo)效應(yīng)的石墨烯場效應(yīng)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(yīng)晶體管對紅外光進(jìn)行探測。目前，尚未見到利用石墨烯材料及其電場效應(yīng)應(yīng)用于X射線和帶電粒子探測的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

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(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效應(yīng)的X射線和帶電粒子探測器及探測方法，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場合提供更好的探測手段。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種基于石墨烯電場效應(yīng)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(yīng)電極；

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(cè)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(yīng)電極均為條形電極，電壓測量電極和恒定電流供應(yīng)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(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；電壓測量電極正極和電壓測量電極負(fù)極位于探測層中心的兩側(cè)，恒定電流供應(yīng)電極正極位于電壓測量電極正極的外側(cè)，恒定電流供應(yīng)電極負(fù)極位于電壓測量電極負(fù)極的外側(cè)；源極電極、漏極電極、電壓測量電極和恒定電流供應(yīng)電極之間兩兩平行。

所述恒定電流供應(yīng)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。

恒定電流供應(yīng)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(dòng)。

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。

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，探測層為石墨烯材料。

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(yīng)電極為Al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。

所述基底的厚度為100-5000μm，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5～100μm。