近日，郑州大学单崇新团队以「Highly sensitive diamond X-ray detector array for high-temperature applications」为题在Chip上发表研究论文，利用金刚石实现了可在高温环境下工作的高灵敏度X射线探测阵列。第一作者为豆文杰，林超男和范伟为共同第一作者，通讯作者为杨珣、周维民、单崇新。Chip是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，是入选了国家高起点新刊计划的「三类高质量论文」期刊之一。
X射线以其短波长和高能量，在医学成像、工业探伤、晶体结构分析以及安全筛查等多个领域得到了广泛应用。然而，这些应用的效果高度依赖于高性能和稳定的X射线探测器。目前，由于材料和设备检测机制的限制，开发兼具高灵敏度、快速响应和稳定性的探测器仍然面临挑战。本文研究中，作者利用单晶金刚石构建了一个10×10 X射线探测器阵列，并通过不对称夹层电极结构提升了探测器的灵敏度。该金刚石X射线探测器阵列表现出了卓越的探测性能和高温稳定性。
图1 | 金刚石X射线探测器阵列的制作工艺。a, 制造工艺流程图。b, 探测器阵列示意图。c, 单个探测器单元示意图。d, 实物图。
图2 | 金刚石X射线探测器的灵敏度检测极限以及高温下的光电性能。a, 不同偏置电压下探测器的灵敏度依赖曲线。b, 40 V偏置下信噪比与剂量率的关系。c, 不同温度黑暗环境和32.22 nGy s-1剂量率下的I-V特征曲线。d, 不同温度下的光电流和暗电流。
图2展示了金刚石X射线探测器在不同条件下的性能。结果表明在50 V偏置电压下，灵敏度响应为14.3 mC Gy-1 cm-2。40 V偏置下，信噪比等于3时的检测阈值为4.9 nGy s-1。在27~450 ℃温度范围内光电流随着温度升高而增加。在62.83 nGy s-1 X射线剂量率下光电流和暗电流均表现出良好的重复性。
总结，本文开发了一种10×10单晶金刚石X射线探测器阵列。通过采用不对称电极结构和激光切割加工的沟槽，显著提升了探测器的性能。该探测器在50 V偏置下展现出18312的光暗电流比、14.3 mCGy-1 cm-2的灵敏度和4.9 nGy s-1的检测极限，达到当前金刚石X射线探测器中的最佳水平。探测器还具有优异的均匀性和稳定性，能够在高达450 ℃的高温下有效探测X射线，拓展了其在恶劣环境下的应用潜力。
