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混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測(cè)器,實(shí)現(xiàn)5MeV質(zhì)子束監(jiān)控

時(shí)間:2023-2-20閱讀:852

期刊:Advanced Science IF 16.806

文章DOI: 10.1002/advs.202204815


【引言】


質(zhì)子束流的探測(cè)在光學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)子療法(癌癥治療的先進(jìn)技術(shù))等領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用。質(zhì)子束流的探測(cè)多使用傳統(tǒng)硅材料制備的場(chǎng)效應(yīng)管裝置及塑料閃爍體和閃爍纖維材料,但上述材料價(jià)格昂貴且材料的設(shè)備需要復(fù)雜的同步和校正過(guò)程,很難被大規(guī)模推廣應(yīng)用。


近十年間,科學(xué)家致力于尋找同時(shí)具有出色力學(xué)性能和造價(jià)低廉兩大特性的新材料,以實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束流探測(cè)設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn),鈣鈦礦是制備質(zhì)子束流探測(cè)器的理想材料。首先,鈣鈦礦材料可以通過(guò)低溫沉積的方法制備到柔性基底上;其次,該材料的制造成本相對(duì)較低;另外,鈣鈦礦材料已被用于探測(cè)高能光子、阿爾法粒子、快中子和熱中子等領(lǐng)域;除此以外,對(duì)于利用鈣鈦礦材料制備質(zhì)子束流探測(cè)器的領(lǐng)域尚屬空白。


【成果簡(jiǎn)介】


近日,意大利博洛尼亞大學(xué)Ilaria Fratelli教授課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3 制備出用于質(zhì)子束探測(cè)的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測(cè)器。在5 MeV質(zhì)子的條件下,探測(cè)器的探測(cè)束流范圍為從4.5 × 105 到 1.4 × 109 H+ cm?2 s?1,可連續(xù)檢測(cè)的輻射敏感度高達(dá)290 nCGy?1mm?3,檢測(cè)下限為72 μGy s?1。


值得一提的是,本文使用的小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3是一款多功能激光直寫(xiě)光刻系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)小巧緊湊(70cm x 70cm x 70cm),無(wú)掩膜直寫(xiě)系統(tǒng)的靈活性,還擁有高直寫(xiě)速度,高分辨率的特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)、全自動(dòng)控制、可靠性高、操作簡(jiǎn)便。適用于各種實(shí)驗(yàn)室桌面。


小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3


【圖文導(dǎo)讀】



圖1. PET 柔性基板上的混合 3D-2D 鈣鈦礦薄膜活性層:結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

(A)MAPbBr3 (3D) 和(PEA)2PbBr4 (2D)鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

(B)通過(guò)MicroWriter無(wú)掩模激光直寫(xiě)機(jī)制備出的檢測(cè)器,圖中標(biāo)尺長(zhǎng)度為500 μm。

(c)3D-2D混合鈣鈦礦材料的低掠射角XRD結(jié)果。

(d)3D-2D混合鈣鈦礦材料的AFM表面形貌圖。




圖2. 3D-2D 鈣鈦礦材料的電學(xué)和光電學(xué)方面的性能。

(A)由Microwriter無(wú)掩模光刻機(jī)制備柔性器件。

(B)柔性器件在不同彎曲程度條件下的電流-電壓曲線(xiàn)圖。

(C)3D-2D鈣鈦礦材料的PL光譜結(jié)果。

(D)3D-2D鈣鈦礦材料的紫外-可見(jiàn)光光譜。




圖3. 由3D-2D鈣鈦礦材料制備的柔性質(zhì)子束探測(cè)器的性能。

(A)在探測(cè)器層,質(zhì)子束釋放能量的模擬曲線(xiàn)。

(B)不同電壓下和束流下的質(zhì)子感應(yīng)電流。

(C)在1 v條件下,不同照射時(shí)間探測(cè)器所產(chǎn)生的電流。

(D)不同束流條件下的信噪比圖。

(E)質(zhì)子束探測(cè)器的穩(wěn)定重復(fù)能力。

(F)探測(cè)器的輻射硬度試驗(yàn)結(jié)果。


【結(jié)論】


Ilaria Fratelli教授課題組所研發(fā)的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測(cè)器可以檢測(cè)105-109 H+s?1cm?2范圍內(nèi)能量為5 MeV質(zhì)子束流,探測(cè)劑量下限為72 μGy s?1,該劑量較之前工作低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。另外,由于其造價(jià)低廉,易于使用,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),可用于不同方面的質(zhì)子束流的監(jiān)控。為質(zhì)子束流探測(cè)器的大規(guī)模使用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí),從文中也可以看到,隨著鈣鈦礦材料領(lǐng)域制備器件的需求逐漸增多,如何快速開(kāi)發(fā)出符合需求的微納傳感器顯得尤為重要。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要及時(shí)修改相應(yīng)的參數(shù),得到優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,十分依賴(lài)靈活多變的光刻手段。小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3可以任意調(diào)整光刻圖形,幫助用戶(hù)快速實(shí)現(xiàn)原型傳感器的開(kāi)發(fā),助力鈣鈦礦材料領(lǐng)域的研究。


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