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    我國在“光鐵電半導體”自驅動X射線探測研究取得新思路

    2021-10-12

    導讀:開辟了雜化“光鐵電半導體”研究新領域;發展出新一代鐵電極化驅動的光電探測技術、高靈敏偏振探測技術及高性能高能射線探測技術。
      
      在含有鹵素的二元化合物中,鹵素呈負價的化合物稱為鹵化物。包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物以及某些鹵素互化物。 按組成鹵化物元素的屬性分為金屬鹵化物和非金屬鹵化物。
      
      近期,中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室“無機光電功能晶體材料”研究員羅軍華團隊以創制強光電耦合的新型光鐵電晶體材料為主要目標,設計制備出系列鐵電極化與半導體光生載流子耦合的雜化光鐵電體,在X射線輻照下,鐵電極化所誘導的體光伏效應(~0.5 V)促進光生電子-空穴的自發分離,零偏壓下實現了高靈敏的無源自驅動X射線探測,其靈敏度高達~410 μC Gy-1 cm-2。開辟了雜化“光鐵電半導體”研究新領域;發展出新一代鐵電極化驅動的光電探測技術、高靈敏偏振探測技術及高性能高能射線探測技術。
      
      X射線是一種頻率極高,波長極短、能量很大的電磁波,頻率一般高于30PHz,波長短于10nm,能量大于124eV。在電磁波中,X射線的頻率和能量僅次于伽馬射線,頻率范圍30PHz~300EHz,對應波長為1pm~10nm,能量為124eV~1.24MeV。X射線具有穿透性,但人體組織間有密度和厚度的差異,當X射透過人體不同組織時,被吸收的程度不同,經過顯像處理后即可得到不同的影像。
      
      產生X射線的最簡單方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能會以光子形式放出,形成X光光譜的連續部分,稱之為軔致輻射。通過加大加速電壓,電子攜帶的能量增大,則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴,外層電子躍遷回內層填補空穴,同時放出波長在0.1nm左右的光子(相當于3EHz的頻率和12.4keV的能量)。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波長也集中在某些部分,形成了X光譜中的特征線,此稱為特性輻射。
      
      高速電子轟擊靶時,與靶物質的相互作用過程是很復雜的。一些高速電子進入到靶物質原子核附近,在原子核的強電場作用下,速度的量值和方向都發生變化,一部分動能轉化為X光子的能量(hv)輻射出去。這種輻射稱為軔致輻射( bremsstrahlung)。一些高速電子進入把物質原子內部,如果與某個原子的內層電子發生強烈相互作用,就有可能把一部分動能傳遞給這個電子,使它從原子中脫出,從而使原子內電子層出現一個空位,這個空位就會被更外層的電子躍遷填充,并在躍遷過程中發出一個X光子,而發出的X光子的能量等于兩個能級的能量差,這種輻射稱為特征(標識)輻射。
      
      光鐵電體是鐵電學的重要分支,也是固體物理學的一個新的研究領域。光電功能晶體,包括激光晶體,非線性光學晶體,電光晶體,介電體超晶格,閃爍晶體和PMN-PT馳豫電單晶等,在高技術發展中具有不可替代的重要作用.近年來,我國在這些重要晶體材料的生長,基礎研究和應用方面都獲得了很大成績.綜述了光電功能晶體材料研究和應用的部分進展.在此基礎上,提出進一步發展晶體理論,擴大理論的應用范圍,注重晶體生長基本理論研究,發展新的晶體生長方法和技術,加強晶體生長設備研制,加強晶體從原料到加工,后處理,檢測及鍍膜等全過程的結合等建議,以全面提高我國光電功能晶體研究發展及其產業化水平。
      
      半導體光電器件是把光和電這兩種物理量聯系起來,使光和電互相轉化的新型半導體器件。即利用半導體的光電效應(或熱電效應)制成的器件。光電器件主要有,利用半導體光敏特性工作的光電導器件,利用半導體光伏打效應工作的光電池和半導體發光器件等。
      
      光電器件是根據光電效應制作的器件稱為光電器件,也稱光敏器件。光電器件的種類很多,但其工作原理都是建立在光電效應這一物理基礎上的。光電器件的種類主要有: 光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件。下面就介紹這些光電器件的結構、工作原理、參數、基本特性。
      
      半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。半導體材料中的載流子包括材料內部的自由電子及其留下的空位—— 空穴兩種。在正常情況下自由電子及空穴的形成與復合處于動態平衡,電子要克服原子的束縛成為自由電子必須吸能量,而光照可以向電子提供能量,增強它掙脫原子束縛的能力。使得原本的動態平衡被打破,自由電子及空穴的形成速率大于復合速率,從而在半導體內部形成自由電子——空穴對。因此,光照可以改變載流子的濃度,從而改變半導體的電導率。光電導器件主要有光敏電阻、光電二極管光電三極管等。
      
      新聞來源:福建物質結構研究所

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