【“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、科學研究等各個領域。

因此，用高靈敏度和低成本的材料和設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。