Регистрация / Вход
Прислать материал

Синтетический алмаз как материал для детекторов ионизирующих излучений и фотовольтаических преобразователей.

Докладчик: Родионов Николай Борисович

Должность: Руководитель научно-образовательного центра "Центр алмазной радиационно-стойкой наноэлектроники и инноваций ФГУП "ГНЦ РФ ТРИНИТИ", доктор физико-математических наук

Цель проекта:
1.Задачи на решения которых направлен реализуемый проект включают разработку различных вариантов радиационно-стойких детекторов и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза: - детекторов ядерных излучений для избирательной регистрации ядерных излучений; - детекторов ядерных излучений для работы в экстремальных условиях; - фотовольтаических преобразователей УФ-, альфа-, бета-, гамма- излучения. В ходе выполнения проекта будут решены ряд научных и технологических задач материаловедения, радиационной физики, электроники. Будет разработан метод синтеза из газовой фазы высокочистых (содержание примеси азота не более 30 ppb, т.е. <30 миллиардных долей) монокристальных слоев и кристаллов, Указанный метод синтеза позволяет сегодня выращивать алмазы в виде тонких слоев или пластин, намного чище по сравнению с более традиционным способом синтеза при высоких давлениях, что позволит повысить эффективность детекторов. Для улучшения качества контактов (повышения адгезии, повышения термостойкости, снижения сопротивления) будет разработан метод эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмаз и разработана соответствующая методика. Будет исследована возможность создания нового типа алмазных детекторов с повышенной чувствительностью – так называемых трехмерных детекторов, за счет создания в объеме алмазного кристалла массивов заглубленных графитовых нитевидных электродов, что будет реализовано графитизацией прозрачного кристалла остросфокусированным лучом фемтосекундного лазера. Ранее подобные структуры получали лишь на кремниевых детекторах, по совершенно другой технологии. Эффективные фотовольтаические преобразователи УФ-, альфа-, бета-, гамма- излучения будут создаваться на основе гетероструктур, выращиваемых на подложке из алмаза. Предусматриваются комплексные исследование структуры и свойств исходных выращенных кристаллов, и параметров созданных на их основе чувствительных элементов. Испытания по радиационному воздействию на образцы приборов будут проводиться в специализированных лабораториях с радиактивными источниками. 2.Цели реализуемого проекта: Будут созданы экспериментальные образцы: - пробной партии алмазных пластин высокочистых монокристаллов и эпитаксиальных гетероструктур алмаза ; - монокристаллов и эпитаксиальных гетероструктур алмаза, синтезированных в СВЧ-плазме; - тонкопленочных детекторов на основе синтетического алмаза; - алмазного материала электронного качества для детекторов ядерных излучений и фотопреобразователей; - эпитаксиальных гетероструктур алмаза заданной толщины; - массивов заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе. - высокочистой алмазной монокристальной пластины с оптимизированным массивом заглубленных электродов; - детектора с трехмерной архитектурой электродов; - алмазных детекторов для радиометрии тепловых нейтронов; - детекторов ядерных излучений для работы в экстремальных условиях; Будут созданы макеты фотовольтаических преобразователей на основе алмазной гетероструктуры;

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящее время существует потребность в радиационно-стойких материалах для систем электроники ядерной энергетики, обеспечения ядерной безопасности и устройств автоматики, работающих в условиях высоких радиационных полей (приближающихся к условиям горячей зоны ядерного реактора). Материал, для которого характерна высокая радиационная стойкость – это алмаз (допустимый флюенс нейтронов ~5x10^14 н/см2), причем предполагается, что эта величина в настоящее время недооценена и для сверхчистого алмаза может быть увеличена на порядок. Детекторы и другие элементы электроники, основанные на кремнии, германии, галлии, обладают рядом недостатков: имеют ограниченный ресурс к
радиации и тепловым нагрузкам, является уязвимыми даже для ультрафиолетового излучения, в то время как алмаз демонстрирует радиационную стойкость, превышающую эту характеристику у других полупроводниковых материалов на порядки величин, может эффективно работать при высоких
температурах. Эти Исключительные характеристики алмаза в совокупности с возможностью выращивать искусственные монокристаллы с заранее заданными свойствами крайне важны для создания детекторов и других элементов и модулей мощной радиационно-стойкой электроники. Преимущества данных приборов по сравнению с датчиками, которые в настоящее время применяются в ядерной энергетике: радиационная стойкость, малые размеры, механическая прочность, химическая инертность, способность работать при высоких температурах, высокая термостойкость и уникальные электротехнические характеристики.
Компактные алмазные детекторы можно эффективно использовать для спектрометрии быстрых нейтронов в термоядерных исследованиях. Такого рода спектрометры-радиометры имеют ряд важных преимуществ перед другими системами нейтронной спектрометрии, в первую очередь ввиду их малого размера и высокой радиационной стойкости.
В ряде таких ключевых сфер как электроника сверхвысоких загрузок (включая компьютеры будущего), сильноточная микро- и нано-электроника, элементы полупроводниковых лазеров и окна для сверх интенсивных потоков ИК и СВЧ излучений модули алмазной электроники обеспечат увеличение ключевых параметров на порядки величин по сравнению с применяемыми в настоящее время техническими решениями и материалами.
Будет разработан метод синтеза из газовой фазы высокочистых (содержание примеси азота не более 30 ppb, т.е. <30 миллиардных долей) монокристальных слоев и кристаллов, Указанный метод синтеза позволяет сегодня выращивать алмазы в виде тонких слоев или пластин, намного чище по сравнению с более традиционным способом синтеза при высоких давлениях, что позволит повысить эффективность детекторов. Для улучшения качества контактов (повышения адгезии, повышения
термостойкости, снижения сопротивления) будет разработан метод эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмаз, и разработана соответствующая методика.
Будет исследована возможность создания нового типа алмазных детекторов с повышенной чувствительностью – так называемых трехмерных детекторов, за счет создания в объеме алмазного кристалла массивов заглубленных графитовых нитевидных электродов, что будет реализовано графитизацией прозрачного кристалла остросфокусированным лучом фемтосекундного лазера. Ранее подобные структуры получали лишь на кремниевых детекторах, по совершенно другой технологии.
Эффективные фотовольтаические преобразователи УФ-, альфа-, бета-, гамма- излучения будут создаваться на основе гетероструктур, выращиваемых на подложке из алмаза. Предусматриваются комплексные исследование структуры и свойств исходных выращенных кристаллов, и параметров созданных на их основе чувствительных элементов. Испытания по радиационному воздействию на образцы приборов будут проводиться в специализированных лабораториях с радиоактивными источниками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Изготовленные экспериментальные образцов детекторов ядерных излучений и фотопреобразователей на основе синтетического алмаза будут использоваться в атомной отрасли, медицине , экологии.
Применения алмазных детекторов и фотопреобразователей будет практически значимым результатом в таких отраслях как ядерный топливный цикл, термоядерные исследования, медицина, экология.
Алмазные детекторы имеют преимущество при регистрации жесткого ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучения, так как они нечувствительны к видимому свету. Такие детекторы могут применяться в космических исследованиях, в частности при мониторинге солнечного излучения. Алмазные детекторы со специальной конфигурацией лицевого контакта успешно используются для спектрометрии энергии частиц с нижним порогом регистрации в 25кэВ и могут быть применены для спектрометрии космических частиц изучения солнечного ветра. Неограниченный радиационный ресурс алмазных детекторов к УФ и рентгеновскому излучению позволит создать на базе алмазного материала эталонные детекторы для УФ ВУФ, рентгеновского диапазона.
Термоядерная плазма - источник смешанных радиационных полей, поэтому в диагностике плазмы возникает необходимость избирательного измерения ядерного излучения определенного вида. Например, при измерении потока нейтральных частиц из плазмы, детектор будет также регистрировать нейтронное и гамма излучения. В данном проекте предлагается разработка тонкопленочных детекторов на основе синтетического алмаза для избирательной регистрации нейтральных частиц и ионов. В этом случае вследствие малой толщины детектора можно существенно снизить эффективность регистрации фонового гамма и нейтронного излучения. Данный подход позволит решить, в том числе, задачу диагностики термоядерных альфа-частиц в проекте ИТЭР.
Радиометрия тепловых нейтронов является важной задачей в термоядерных исследованиях и ядерных энергетике. Для этой цели можно использовать алмазный детектор с конвертером тепловых нейтронов на основе изотопов Li-6 или B-10. Эти изотопы имеют высокие сечения взаимодействия с тепловыми нейтронами. Вторичные заряженные частицы, возникающие в ядерных реакциях в конвертере имеют энергию в диапазоне 1,5-3 МэВ и эффективно регистрируются алмазным детектором. Тонкопленочный детектор, имеющий низкую чувствительность к быстрым нейтронам и гамма- излучению, позволяет эффективно измерять поток тепловых нейтронов в смешанном радиационном поле. В диагностике термоядерной плазмы такой детектор будет измерять поток фоновых нейтронов. Выбор алмазного детектора для данного применения определен его высоким радиационным ресурсом.
Разрабатываемые детекторы ядерных излучений на основе тонких пленок синтетического алмаза актуальны также для ядерной энергетики, медицины, экологии и т.д.
На основе разработанной технологии изготовления тонкопленочных алмазных детекторов важным шагом работы будет создание фотовольтаических преобразователей. Разработка фото-, альфа-, бета-, гамма- преобразователей является актуальной для создания компактных автономных источников энергопитания длительного использования. В данной работе предполагается создание фото-, альфа-, бета-, гамма-излучения электрических преобразователей на основе тонких пленок синтетического алмаза. Алмазный фотопреобразователь позволит решать задачу утилизации радиоактивных отходов и создать на его основе устройство, преобразующее энергию частиц(фотонов) радиоактивных источников в электрический ток .

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен обзор и анализ научно-технической литературы, и других материалов по теме алмазных детекторов. Проанализированы варианты пространственных структур для реализации детекторов, обращено особое внимание на возможность создания уникальных трехмерных матричных детекторов с заглубленными электродами, сделан и обоснован вывод о перспективности таких конструкций для повышения эффективности сбора зарядов. Подготовлен отчет о патентных исследованиях, в том числе по технология синтеза алмазных монокристаллов высокого качества из газовой фазы.
2. Разработаны процессы роста высокочистых монокристаллов и эпитаксиальных гетеро структур алмаза в СВЧ плазме (частота 2,45 ГГц) в метан-водородных газовых смесях. Исследование методов роста проведено на плазмохимическом реакторе ARDIS-100 производства ООО "Оптосистемы". Реализованы режимы эпитаксиального роста в широком диапазоне рабочих давлений, вплоть до 200 Торр подложках из синтетического алмаз необходимой кристаллографической ориентации (100). Найдены опимальные варианты предростовой подготовки подложек для снижения концентрации дефектов в получаемых монокристаллах CVD-алмаза.
3. Изготовлена пробная партия алмазных пластин высокочистых монокристаллов (2 шт) и эпитаксиальных гетероструктур алмаза (2 шт). Отделенные от подложки кристаллы получали лазерной резкой с последующей тщательной полировкой. Монокристаллы размером более 3,5х3,5 мм и толщиной до 0.5 мм имели низкую концентрация примесного азота (не более 30 миллионных долей), согласно анализу спектров оптического поглощения, что является одним из требований на качество материала детектора. Толщина эпитаксиальные алмазные слои имели толщину 8-12 мкм.
4. Выбраны методики и параметры для описания качества алмазных пластин, включающие: (а) оптическую профилометрию для оценки качества лазерной и механической обработки поверхности; (б) спектроскопию комбинационного рассеяния света (КР) и фотолюминисценции (анализ структуры и дефектов), спектроскопию оптического поглощения (измерение содержания примесного азота), катодо-люминесценцию и рентгено-люминесценцию (регистрация экситонов и центров окраски). Ширина линии КР выращенных монокристаллов составлила1,7 - 1,9 см-1, на уровне лучших природных монокристаллов.
5.Выполнен обзор по фотовольтаическим преобразователям излучения ультрафиолетового спектра. Приведены их устройства и конструкции. Особое внимание уделено β-вольтаическим источникам энергии.
Выбраны и обоснованы основные физические характеристики детекторов избирательной регистрации ионизирующих излучений и фотовольтаических преобразователей.