期刊：Advanced Science IF 16.806

文章DOI: 10.1002/advs.202204815

【引言】

質子束流的探測在光學基礎物理實驗和強子療法（癌癥治療的先進技術）等領域都具有十分重要的應用。質子束流的探測多使用傳統硅材料制備的場效應管裝置及塑料閃爍體和閃爍纖維材料，但上述材料價格昂貴且材料的設備需要復雜的同步和校正過程，很難被大規模推廣應用。

近十年間，科學家致力于尋找同時具有出色力學性能和造價低廉兩大特性的新材料，以實現質子束流探測設備的大規模應用。經多年研究發現，鈣鈦礦是制備質子束流探測器的理想材料。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較低；另外，鈣鈦礦材料已被用于探測高能光子、阿爾法粒子、快中子和熱中子等領域；除此以外，對于利用鈣鈦礦材料制備質子束流探測器的領域尚屬空白。

【成果簡介】

近日，意大利博洛尼亞大學Ilaria Fratelli教授課題組利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3 制備出用于質子束探測的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測器。在5 MeV質子的條件下，探測器的探測束流范圍為從4.5 × 10⁵ 到 1.4 × 10⁹ H⁺ cm^?2 s^?1，可連續檢測的輻射敏感度高達290 nCGy^?1mm^?3，檢測下限為72 μGy s^?1。

值得一提的是，本文使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3是一款多功能激光直寫光刻系統，具有結構小巧緊湊(70cm x 70cm x 70cm)，無掩膜直寫系統的靈活性，還擁有高直寫速度，高分辨率的特點。采用集成化設計、全自動控制、可靠性高、操作簡便。適用于各種實驗室桌面。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【圖文導讀】

圖1. PET 柔性基板上的混合 3D-2D 鈣鈦礦薄膜活性層：結構和形態。

（A）MAPbBr₃ (3D) 和(PEA)₂PbBr₄ (2D)鈣鈦礦材料的結構示意圖。

（B）通過MicroWriter無掩模激光直寫機制備出的檢測器，圖中標尺長度為500 μm。

（c）3D-2D混合鈣鈦礦材料的低掠射角XRD結果。

（d）3D-2D混合鈣鈦礦材料的ＡＦＭ表面形貌圖。

圖2. 3D-2D 鈣鈦礦材料的電學和光電學方面的性能。

（Ａ）由Microwriter無掩模光刻機制備柔性器件。

（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子束探測器的性能。

（Ａ）在探測器層，質子束釋放能量的模擬曲線。

（Ｂ）不同電壓下和束流下的質子感應電流。

（Ｃ）在1 v條件下，不同照射時間探測器所產生的電流。

（Ｄ）不同束流條件下的信噪比圖。

（Ｅ）質子束探測器的穩定重復能力。

（Ｆ）探測器的輻射硬度試驗結果。

【結論】

Ilaria Fratelli教授課題組所研發的3D-2D混合鈣鈦礦柔性薄膜檢測器可以檢測10⁵-10⁹ H⁺s^?1cm^?2范圍內能量為5 MeV質子束流，探測劑量下限為72 μGy s^?1，該劑量較之前工作低兩個數量級。另外，由于其造價低廉，易于使用，靈敏度高等優點，可用于不同方面的質子束流的監控。為質子束流探測器的大規模使用打下了堅實的基礎。同時，從文中也可以看到，隨著鈣鈦礦材料領域制備器件的需求逐漸增多，如何快速開發出符合需求的微納傳感器顯得尤為重要。由于實驗過程中需要及時修改相應的參數，得到優化的實驗結果，十分依賴靈活多變的光刻手段。小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3可以任意調整光刻圖形，幫助用戶快速實現原型傳感器的開發，助力鈣鈦礦材料領域的研究。