CVD金刚石薄膜，新一代传感探测材料

近些年来，碳纳米管、石墨烯、金刚石膜等先进碳基材料以及与之相关的MEMS(微机电系统)和NEMS(纳机电系统)技术开展迅速，为体积小、质量轻、集成度高、感知灵敏度和分辨率优异、使用寿命长的传感探测装置的应用奠定了基础。

其中，金刚石薄膜半导体探测器具有暗电流小、时间响应快、禁带宽度大、载流子迁移率高、电阻率极高、介电常数低、击穿电压大、热导率高等优异特性。其信噪比高，对可见光几乎零响应，电荷收集效率比硅探测器快4倍，可在室温至较高温度(约600℃)环境中正常工作，且无需外加冷却系统，极大减小了探测器的质量与体积。尤为重要的是，金刚石薄膜具有优良的化学稳定性、耐辐照特性和抗辐照干扰能力,能在极端恶劣的强辐射环境中正常工作，被认为是一种理想的半导体传感探测器材料。

图1  金刚石与其他半导体材料的关键特性对比

由于硅、砷化镓等窄带隙半导体器件无法在200 ℃以上高温环境中长期工作，限制了它们在高温有毒气体探测领域的应用。早在1998年，Gurbuz等就已设计出催化剂/吸附性氧化物/绝缘体/半导体构型的Pt/SnOx/i-金刚石/p-金刚石结构的金刚石基气体传感器，可在数秒响应时间内探测出微量O₂和CO气体；随后，该研究小组研制出尺寸小、工作温度范围宽、灵敏性佳、响应及恢复速度快的Pd/i-金刚石/p-金刚石构型的气体传感器，可对苯、甲苯气体实施有效探测，其结构如图1所示，这种结构的传感器具有优良的气敏特性，其响应时间快、气体选择性佳。

图2  金刚石基气体传感器的结构示意图

    基于金刚石薄膜的带电粒子或射线辐射探测器的结构如图所示。金刚石薄膜的两面分别镀上金属电极，当高能量粒子或射线透过金刚石薄膜时，可与金刚石发生作用使其产生电离激发，金刚石中产生的正负电子-空穴对载流子在外加电场作用下向探测器的两电极漂移，从而被收集而产生电流脉冲信号，电流信号经放大后被检测到。

图3  带电粒子或射线辐射金刚石探测器结构

质子对金刚石进行辐照时，能量越高的质子其运动速度越快，其与金刚石的作用截面越小，所造成的损伤也越小，故金刚石在高剂量质子探测领域具有优良的应用前景。CVD金刚石对不同能量级的质子表现出不同的抗辐照性能，对于100 MeV～1 GeV能量范围内的质子具有优良的抗辐射性，在低能量级(4.5 MeV)的质子环境中其抗辐射性则会有所降低。

图4  CVD单晶金刚石探测器;(b) RGO/Au电极CVD金刚石膜探测器的剖面示意图

紫外探测技术在通讯、导弹预警与跟踪、天文观测、气象预报、火灾预警、生物医学等领域有着巨大应用潜力，是一种重要的军民两用光电探测技术。由于金刚石对可见光几乎零响应，具有“太阳盲区”特性，基于金刚石薄膜的紫外探测器具有紫外敏感性好、分辨率高、噪声低、灵敏度高、稳定性佳等特性，是硅基紫外探测器的优良替代品。该探测器在极端环境中具有优良的抗辐照特性，在无需外部电压的情况下即可对极紫外光进行快速响应探测，比当前所用紫外光传感器有着更高的光敏性和信噪比。

图5  金刚石基极紫外光探测器的结构示意图

金刚石作为应用前景广阔的新一代传感探测材料，凭借其优良的物化特性，可在高温、高压、强辐射环境中稳定运行，其使用寿命长，易于实现探测传感装置的小型化、轻量化与集成化，是传统硅基探测器的理想替代品，成为传感探测领域的研究热点。金刚石薄膜探测传感材料及其相关技术的基础研究与应用，有助于有助于我国在电子信息、航空航天、生物医学、武器装备等重要领域的技术开展，可产生巨大的经济、社会效益。

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