Закономерности переноса рентгеновского излучения в легированных многокомпонентных полупроводниках для дозиметрии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для управления чувствительностью полупроводников часто требуется изменение их кристаллической и электронной структуры, что может привести к потере их исходных полупроводниковых свойств. Халькогенидные полупроводники обладают высокими транспортными свойствами носителей заряда. Однако они сталкиваются с ограничениями в детектировании жесткого рентгеновского излучения из-за различных причин, в частности из-за дефектной структуры и плохой рентгеновской чувствительности. Обобщены и упрощены основные законы теории рентгеновской проводимости полупроводников с учетом областей их применения. Рассмотрены особенности влияния легирования на рентгеновскую чувствительность, определение оптимальной концентрации легирующей примеси на примере легирования хромом халькогенидов, а также принцип создания детектора рентгеновского излучения. В качестве примера важного рентгеночувствительного материала представлены наши результаты по исследованию фото- и рентгеновской проводимости в слоистом соединении с моноклинной структурой р-типа TlGaS2, содержащем легированную примесь хрома. Представлены наши экспериментальные результаты исследования синтезированных и выращенных монокристаллов легированного хромом (≤ 0.5 мол. % Cr) TlGaS2:Cr. Показано, что материалы на основе TlGaS2:Cr сохраняют полупроводниковые свойства и характеризуются высоким электрическим транспортом. Легирование хромом увеличивает фоточувствительность и поляризацию между ионами металла и халькогенида в TlGaS2:Cr. Изучено влияние допирования примесью Cr на спектры фотопроводимости и ширину запрещенной зоны слоистого монокристалла TlGaS2. Проанализировано изменение области спектральной чувствительности TlGaS2:Cr и появление пиков примесного фототока. Изучены рентгенодозиметрические свойства TlGaS2:Cr в зависимости от дозы облучения. На примере TlGa0.995Cr0.005S2 показано, что вольт-дозовые характеристики обладают хорошей воспроизводимостью. Образец монокристаллического детектора TlGaS2:0.5 мол. % Cr также продемонстрировал высокую фото- и рентгеновскую чувствительность по сравнению с чистым TlGaS2. Полученные новые фотоэлектрические и рентгеновские дозиметрические свойства и результаты показывают потенциал полупроводникового TlGaS2:Cr для оптоэлектронных и радиационных технологий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

C. М. Асадов

Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия”; Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева; Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку; Баку; Баку

С. Н. Мустафаева

Институт физики

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку

В. Ф. Лукичев

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Email: lukichev@ftian.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Yoshida S., Ohsugi T., Fukazawa Y., Yamamura K., Yamamoto K., Sato K. Radiation hardening of silicon strip detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2003. V. 514. No. 1–3. P. 38–43. https://doi.org/10.1016/j.nima.2003.08.081
  2. Arias A., Nedev N., Nesheva D., Curiel M., Manolov E., Mateos D., Dzurkov V., Valdez B., Contreras O., Herrera R., Bineva I., Siqueiros J.M. MOS structures containing Si nanocrystals for applications in UV dosimeters // Key Engineering Materials. 2014. V. 605. P. 380–383. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.605.380
  3. Sun Y., Zhang S., Shen G., Quan L., Chang Z., Tian C., Jing T., Zhang H., Ding J., Yuan B., Zhang B. Radiation dosimeter and charge detector Onboard BeiDou navigation satellites in MEO // De Gruyter. 2023. V. 32. 20220205. P. 1–7. https://doi.org/10.1515/astro-2022-0205
  4. Hou B., Chen Q., Yi L., Sellin P., Sun H.-T., Wong L. J., Liu X. Materials innovation and electrical engineering in X-ray detection // Nature Reviews Electrical Engineering. 22 Aug. 2024. V. 1. P. 639–655. https://doi.org/10.1038/s44287-024-00086-x
  5. Sato E., Oda Y., Sagae M., Yoshida S., Yamaguchi S., Sato Y., Moriyama H., Hagiwara O., Matsukiyo H., Enomoto T., Watanabe M., Kusachi C. Development of a compact dosimeter using a silicon X-ray diode and a long USB cable // Annual Report of Iwate Medical University. Center for Liberal Arts and Sciences. 2017. No. 52. P. 1–5.
  6. Nedev N., Arias A., Curiel M., Nedev R., Mateos D., Manolov E., Nesheva D., Valdez B., Herrera R., Sanchez A. Visible light sensor based on metal-oxide-semiconductor structure // Key Engineering Materials. 2014. V. 605. P. 384–387. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.605.384
  7. Hossain A., Cui Y., Bolotnikov A.E., Camarda G.S., Yang G., Kochanowska D., Witkowska-Baran M., Mycielski A., James R.B. Vanadium-doped cadmium manganese telluride (Cd1–xMnxTe) crystals as X- and gamma-ray detectors // Journal of Electronic Materials. 2009. V. 38. No. 8. P. 1593–1599. https://doi.org/10.1007/s11664-009-0780-9
  8. Yang G., Bolotnikov A.E., Fochuk P.M., Kopach O., Franc J., Belas E., Kim K.H., Camarda G.S., Hossain A., Cui Y., Adams A.L., Radja A., Pinder R., James R.B. Post-growth thermal annealing study of CdZnTe for developing room-temperature X-ray and gamma-ray detectors // Journal of Crystal Growth. 2013. V. 379. P. 16–20. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2012.11.041
  9. Damulira E. Radiation dosimetry in medicine using II–VI semiconductors // Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 2022. V. 15. No. 3. P. 72–82. https://doi.org/10.1016/j.jrras.2022.06.001
  10. Handbook of II–VI Semiconductor-Based Sensors and Radiation Detectors. Vol. 3: Sensors, Biosensors and Radiation Detectors. G. Korotcenkov (Eds). Springer Cham. 2023. ISBN 978-3-031-24002-7.
  11. Yang G., Hany I. Thallium-based materials for radiation detection. In: K. Iniewski (Eds). Advanced Materials for Radiation Detection. Springer, Cham. 2022. P. 145.163. https://doi.org/10.1007/978-3-030-76461-6_7
  12. Jayawardena K.D.G.I., Sellin P.J., Nanayakkara M.P.A., Ryan R. Perovskite X-ray detectors. In: B. Pradhan (Eds). Perovskite Optoelectronic Devices. Engineering Materials. Springer, Cham. June 2024. P. 447–474. https://doi.org/10.1007/978-3-031-57663-8_13
  13. Bertuccio G., Puglisi D., Macera D., Liberto R.D., Lamborizio M., Mantovani L. Silicon carbide detectors for in vivo dosimetry // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2014. V. 61. No. 2. P. 961–966. https://doi.org/10.1109/TNS.2014.2307957
  14. Iniewski K. (eds). Advanced Materials for Radiation Detection. Springer, Cham. 07 Aug. 2022. ISBN978-3-030-76463-0.
  15. Lowe B.G., Sareen R.A. Semiconductor X-Ray Detectors. CRC Press. Taylor and Francis Group. 1st Edition. Boca Raton, FL, 2014. 198 p. ISBN-13: 978-1-4665-5401-6.
  16. Pennicard D., Pirard B., Tolbanov O., Iniewski K. Semiconductor Materials for X-ray detectors // MRS Bulletin. 2017. V. 42. No. 6. P. 445–450. https://doi.org/10.1557/mrs.2017.95
  17. Kramberger G. Solid state detectors for high radiation environments. In: Fabjan, C., Schopper, H. (eds). Particle Physics Reference Library. Springer, Cham. Sept. 2020. P. 965–1034. https://doi.org/10.1007/978-3-030-35318-6_21
  18. Damulira E., Yusoff M.N.S., Omar A.F. Taib N.H.M. A Review: Photonic devices used for dosimetry in medical radiation // Sensors. 2019. V. 19. 2226. P. 1–28. https://doi.org/10.3390/s19102226
  19. Koper T., Kowalik A., Adamczyk S. The Semiconductor diode detector response as a function of field size and beam angle of high-energy photons // Reports of Practical Oncology and Radiotherapy. 2017. V. 22. No. 3. P. 193–200. https://doi.org/10.1016/j.rpor.2016.12.004
  20. Karmakar A., Wang J., Prinzie J., Smedt V.D., Leroux P. A Review of semiconductor based ionising radiation sensors used in hard radiation environments and their applications // Radiation. 2021. V. 1. No. 3. P. 194–217. https://doi.org/10.3390/radiation1030018
  21. Kuge Y., Shiga T., Tamaki N. (Eds). Perspectives on nuclear medicine for molecular diagnosis and integrated therapy. Springer, Tokyo, Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2016. ISBN 978-4-431-55892-7
  22. Rosenfeld A. B., Biasi G., Petasecca M., Lerch M. L.F., Villani G., Feygelman V. Semiconductor dosimetry in modern external-beam radiation therapy // Physics in Medicine and Biology. 2020. V. 65. P. 1–95. https://doi.org/10.1088/1361-6560/aba163
  23. Advanced Radiation Detector and Instrumentation in Nuclear and Particle Physics. R. N. Patra (Eds). Springer, Cham. Proceedings of RAPID2021. 09 Feb. 2023. ISBN 978-3-031-19267-8.
  24. Nemerenco L., Syrbu N.N., Dorogan V., Bejan N.P., Zalamai V.V. Optical spectra of TlGaS2 crystals // Journal of Luminescence. 2016. V. 172. P. 111–117. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.12.001
  25. Xin X., Liu F., Yan X.-Q., Hui W., Zhao X., Gao X., Liu Z.-B., Tian J.-G. Two-photon absorption and non-resonant electronic nonlinearities of layered semiconductor TlGaS2 // Optics Express. 2018. V. 26. No. 26. P. 33895–33905. https://doi.org/10.1364/OE.26.033895
  26. Mustafaeva S.N. Dielectric properties of TlGa1–x MnxS2 (0 ≤ x ≤ 0.03) single crystals // Inorganic Materials. 2006. V. 42. No. 5. P. 470–473. https://doi.org/10.1134/S0020168506050037
  27. Salomon E., Homolka P., Csete I., Toroi P. Performance of semiconductor dosimeters with a range of radiation qualities used for mammography: A calibration laboratory study // Medical Physics. 2020. V. 47. No. 3. P. 1372–1378. https://doi.org/10.1002/mp.14005
  28. Asadov S.M., Mustafaeva S.N. Effect of composition on charge transport in (TlGaSe2)1–x(TlGaS2)x (0 ≤ x ≤ 1) solid solutions // Inorganic Materials. 2024. V. 60. No. 11. P. 1283–1292. https://doi.org/10.1134/S0020168525700098
  29. Delgado G.E., Mora A.J., Perez F.V., Gonzalez J. Crystal structure of the ternary semiconductor compound thallium gallium sulfide TlGaS2 // Physica B: Condensed Matter. 2007. V. 391. No. 2. P. 385–388. https://doi.org/10.1016/j.physb.2006.10.030
  30. Ghoniem N.M. Dislocation Dynamics Simulations of Defects in Irradiated Materials. Comprehensive Nuclear Materials. 2nd edition. Elsevier Inc. 2019, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11657-1
  31. Martin J.E. Physics for Radiation Protection: A Handbook, 2nd ed, Wiley, New York, Completely Revised and Enlarged. July 2008, 844 p. ISBN 9783527618804
  32. Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement, 4th ed. Wiley, New York, Aug 2010, 864 p. ISBN 9780470131480
  33. Kasap S., Kabir M.Z. X-Ray Detectors. In: M. Rudan, R. Brunetti, S. Reggiani (Eds). Springer Handbook of Semiconductor Devices. Springer, Cham. pp. 747–776. 11 Nov. 2022. https://doi.org/10.1007/978-3-030-79827-7_20
  34. Kabir M.Z., Kasap S. Photoconductors for X-Ray Image Detectors. In: S. Kasap, P. Capper (Eds). Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer, Cham. Ch. 45, pp. 1125–1147. 04 Oct. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_45
  35. Kabir M.Z. Basic Principles of Solid-State X-Ray Radiation Detector Operation. In: G. Korotcenkov (Eds) Handbook of II–VI Semiconductor-Based Sensors and Radiation Detectors. Springer, Cham. 31 Mart 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-031-24000-3_1
  36. Asadov S.M., Mustafaeva S.N., Mammadov A.N., Lukichev V.F. Modeling of Structural Properties and Transport Phenomena in Doped Multicomponent 2D Semiconductors // Russian Microelectronics. 2024. V. 53. No. 6. P. 519–542. https://doi.org/10.1134/S106373972460081X

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема плоской поверхности вещества толщиной dx с падающим перпендикулярно ей потоком фотонов

Скачать (78KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Принципиальная схема полупроводникового рентгеновского детектора

Скачать (89KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектры фототока вдоль слоев монокристаллов TlGaS2 (1) и TlGa0.995Сr0.005S2 (2), приведенные к единице. T = 298 К

Скачать (79KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектральное распределение фототока поперек слоев монокристалла TlGa0.995Cr0.005S2

Скачать (71KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости коэффициента рентгенопроводимости от мощности дозы облучения для монокристалла TlGa0.995Cr0.005S2 при различных ускоряющих напряжениях на рентгеновской трубке Va = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 (6) кэВ

Скачать (88KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости коэффициента рентгенопроводимости монокристаллов TlGaS2 (а) и TlGa0.995Cr0.005S2 (б) от жесткости рентгеновского излучения мощностью дозы E = 10 Р/мин

Скачать (107KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рентгенамперные характеристики монокристалла TlGa0.995Cr0.005S2 при различных жесткостях рентгеновского излучения: Va = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 (6) кэВ. F = 100 В/см

Скачать (76KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости α (Va) для TlGaS2 (1) и TlGa0.995Cr0.005S2 (2)

Скачать (77KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025