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)式無掩膜直寫光刻系統(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)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3是一款多功能激光直寫光刻系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)小巧緊湊(70cm x 70cm x 70cm)，無掩膜直寫系統(tǒng)的靈活性，還擁有高直寫速度，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、操作簡便。適用于各種實(shí)驗(yàn)室桌面。

小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(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MicroWriter無掩模激光直寫機(jī)制備出的檢測(cè)器，圖中標(biāo)尺長度為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。

（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，十分依賴靈活多變的光刻手段。小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3可以任意調(diào)整光刻圖形，幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)原型傳感器的開發(fā)，助力鈣鈦礦材料領(lǐng)域的研究。