基于石墨烯电场效应的x射线和带电粒子探测器及探测方法
【专利摘要】基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器及探测方法，属于辐射探测【技术领域】，涉及给出了新型X射线和带电粒子探测器结构；包括半导体基底、栅极电极、绝缘缓冲层、源极电极、漏极电极、石墨烯探测层、石墨烯电压测量电极和恒定电流供应电极；本发明的探测器可同时具有较高能量分辨率和时间分辨率，适用于X射线脉冲星导航以及传统辐射探测器的应用领域，用于X射线以及α射线和β射线等带电粒子的探测。
【专利说明】基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器及探测方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于辐射探测【技术领域】，涉及一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒 子探测器，以及X射线和带电粒子的探测方法。
【背景技术】
[0002] X射线脉冲星导航为航天器长时间高精度自主导航提供了一种可行途径。脉冲星 导航探测器要求具有高能量分辨率、高时间分辨率、大面积、重量轻、体积小、具备一定的成 像能力以及不需低温制冷等特点，然而目前尚无一种X射线探测器能同时满足以上要求， 因而需要探索一种新的X射线探测方法，推动脉冲星导航的工程化应用。
[0003] 2004年，Novoselov和Geim等人利用机械剥离的方法制备得到单层石墨烯，证 明了二维材料在周围环境下是可以自由稳定存在的，并由此引发了石墨烯等二维材料研究 的热潮。石墨烯是一种由单层碳原子构成的具有二维蜂窝晶格结构的新材料，具有零带 隙能带结构、高电子迁移率、低电阻率、高导热性和高力学强度等优异特性。石墨烯在室 温下的电子迁移率为15000cm 2/V/s，理论极限为2. 0X105cm2/V/s ;电阻率为10_6Ω · cm， 低于银的电阻率1.6Χ1(Γ6Ω ·_，是目前发现的电阻率最低的材料。"p-型石墨烯薄膜/ η-型Ge肖特基结近红外光电探测器及其制备方法"（201310202625. 1)发明专利提出利 用石墨烯/Ge肖特基结来对近红外光进行探测。"基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测 器及其应用"（201310036555. 7)发明专利提出利用石墨烯晶体管对可见光到红外波段进 行探测。"基于单层石墨烯/氧化锌纳米棒阵列肖特基结的紫外光电探测器及其制备方 法"(201310287477. 8)发明专利提出利用石墨烯/氧化锌纳米棒阵列肖特基结对紫外光进 行探测。"具有光电导效应的石墨烯场效应晶体管以及红外探测器"（201110082999. 5)发 明专利提出利用石墨烯场效应晶体管对红外光进行探测。目前，尚未见到利用石墨烯材料 及其电场效应应用于X射线和带电粒子探测的报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就在于：克服传统的X射线和带电粒子探测器难以同时获得较高能 量分辨率和时间分辨率的缺点，提供一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器 及探测方法，可同时获得较高能量分辨率和时间分辨率，为X射线脉冲星导航以及其他X射 线和带电粒子探测场合提供更好的探测手段。
[0005] 本发明的技术解决方案：
[0006] -种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，包括：基底、栅极电极、绝 缘缓冲层、源极电极、漏极电极、探测层、电压测量电极和恒定电流供应电极；
[0007] 基底作为所述探测器的X射线或带电粒子的吸收体，所述基底的下表面镀制栅极 电极；基底的上表面为绝缘缓冲层，所述绝缘缓冲层覆盖基底；基底中有源极电极和漏极 电极；源极电极和漏极电极形状相同，均为条形长方体，对称分布于基底的两侧且与绝缘缓 冲层的下表面紧密贴合；探测层紧贴在绝缘缓冲层的上表面上，且位于绝缘缓冲层的中部； 电压测量电极和恒定电流供应电极均为条形电极，电压测量电极和恒定电流供应电极固定 在探测层上表面，电压测量电极包括电压测量电极正极和电压测量电极负极，恒定电流供 应电极包括恒定电流供应电极正极和恒定电流供应电极负极；电压测量电极正极和电压 测量电极负极位于探测层中心的两侧，恒定电流供应电极正极位于电压测量电极正极的外 侦牝恒定电流供应电极负极位于电压测量电极负极的外侧；源极电极、漏极电极、电压测量 电极和恒定电流供应电极之间两两平行。
[0008] 所述恒定电流供应电极用于为探测层提供恒定电流，所述电压测量电极用于测量 探测层的电压降。
[0009] 恒定电流供应电极正极和栅极电极之间形成电场，使得入射的X射线或者带电粒 子在基底中电离产生的电子向探测层移动。
[0010] 所述源极电极和漏极电极之间形成电场，使得探测层下方汇集的电子在所述电场 的作用下漂移到漏极电极而排出。
[0011] 所述基底为半导体材料，栅极电极、源极电极、漏极电极、电压测量电极和恒定电 流供应电极均为金属电极，绝缘缓冲层为绝缘材料，探测层为石墨烯材料。
[0012] 基底为硅、锗、碳化硅、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或锑化铟材料；栅极电极、源极电 极、漏极电极、电压测量电极和恒定电流供应电极为A1电极、Ag电极、Au电极、Ti电极或 Cu电极；绝缘缓冲层为二氧化硅、氧化铝或氮化硅材料；探测层为单晶单层石墨烯或双层 石墨烯材料。
[0013] 所述基底的厚度为100-5000 μ m，长和宽均为0.5?2cm;绝缘缓冲层的厚度为 100-1000nm，探测层的长和宽均为5?100 μ m。
[0014] 可以利用多个探测器组成探测阵列，来增加探测面积。
[0015] 一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测方法，步骤如下：
[0016] (1)X射线光子入射到所述X射线和带电粒子探测器的基底，在其中电离产生电子
【权利要求】
1. 一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特征在于包括：基底（1)、 栅极电极（2)、绝缘缓冲层（3)、源极电极（4)、漏极电极（5)、探测层（6)、电压测量电极（7) 和恒定电流供应电极（8); 基底（1)作为所述探测器的X射线或带电粒子的吸收体，所述基底（1)的下表面镀制 栅极电极（2);基底（1)的上表面为绝缘缓冲层（3)，所述绝缘缓冲层（3)覆盖基底（1);基 底⑴中有源极电极⑷和漏极电极（5);源极电极⑷和漏极电极（5)形状相同，均为条 形长方体，对称分布于基底（1)的两侧且与绝缘缓冲层（3)的下表面紧密贴合；探测层（6) 紧贴在绝缘缓冲层（3)的上表面上，且位于绝缘缓冲层（3)的中部；电压测量电极（7)和 恒定电流供应电极（8)均为条形电极，电压测量电极（7)和恒定电流供应电极（8)固定在 探测层（6)上表面，电压测量电极（7)包括电压测量电极正极（71)和电压测量电极负极 (72)，恒定电流供应电极（8)包括恒定电流供应电极正极（81)和恒定电流供应电极负极 (82);电压测量电极正极（71)和电压测量电极负极（72)位于探测层（6)中心的两侧，恒定 电流供应电极正极（81)位于电压测量电极正极（71)的外侧，恒定电流供应电极负极（82) 位于电压测量电极负极（72)的外侧；源极电极（4)、漏极电极（5)、电压测量电极（7)和恒 定电流供应电极（8)之间两两平行。
2. 根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特 征在于：所述恒定电流供应电极（8)用于为探测层（6)提供恒定电流，所述电压测量电极 (7)用于测量探测层（6)的电压降。
3. 根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特 征在于：恒定电流供应电极正极（81)和栅极电极⑵之间形成电场，使得入射的X射线或 者带电粒子在基底（1)中电离产生的电子向探测层（6)移动。
4. 根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特 征在于：所述源极电极⑷和漏极电极（5)之间形成电场，使得探测层（6)下方汇集的电子 在所述电场的作用下漂移到漏极电极（5)而排出。
5. 根据权利要求1-4所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其 特征在于：所述基底⑴为半导体材料，栅极电极⑵、源极电极（4)、漏极电极（5)、电压测 量电极（7)和恒定电流供应电极（8)均为金属电极，绝缘缓冲层（3)为绝缘材料，探测层 (6)为石墨烯材料。
6. 根据权利要求5所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特 征在于：基底（1)为硅、锗、碳化硅、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或锑化铟材料；栅极电极（2)、源 极电极（4)、漏极电极（5)、电压测量电极（7)和恒定电流供应电极⑶为A1电极、Ag电极、 Au电极、Ti电极或Cu电极；绝缘缓冲层（3)为二氧化硅、氧化铝或氮化硅材料；探测层（6) 为单晶单层石墨烯或双层石墨烯材料。
7. 根据权利要求5所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其特 征在于：所述基底（1)的厚度为100-5000 μ m，长和宽均为0. 5?2cm ;绝缘缓冲层（3)的厚 度为100-1000nm，探测层（6)的长和宽均为5?100 μ m。
8. 根据权利要求1-7所述的一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测器，其 特征在于：可以利用多个探测器组成探测阵列，来增加探测面积。
9. 一种基于石墨烯电场效应的X射线和带电粒子探测方法，其特征在于步骤如下：
(3) 根据石墨烯的电场效应曲线和所述电子汇集后产生的电场的场强E，确定汇集电 荷产生的电场引起探测层￠)电阻值发生的改变量AR; (4) 恒定电流供应电极（8)为探测层（6)提供恒定电流，通过该恒定电流与所述探测层 (6)电阻值发生的改变量AR计算探测器的输出电压信号AV; (5) 根据探测器输出电压信号AV的幅值以及探测器的标定曲线，得到入射X射线能 量；根据探测器输出电压信号的上升沿，得到入射X射线的时间；
【文档编号】G01T1/26GK104062676SQ201410234296
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】吴耀军, 帅平, 贝晓敏, 张倩 申请人:中国空间技术研究院