期刊：Advanced Science IF 16.806

文章DOI: 10.1002/advs.202204815

【引言】

质子束流的探测在光学基础物理实验和强子疗法（癌症治疗的先进技术）等领域都具有十分重要的应用。质子束流的探测多使用传统硅材料制备的场效应管装置及塑料闪烁体和闪烁纤维材料，但上述材料价格昂贵且材料的设备需要复杂的同步和校正过程，很难被大规模推广应用。

近十年间，科学家致力于寻找同时具有出色力学性能和造价低廉两大特性的新材料，以实现质子束流探测设备的大规模应用。经多年研究发现，钙钛矿是制备质子束流探测器的理想材料。首先，钙钛矿材料可以通过低温沉积的方法制备到柔性基底上；其次，该材料的制造成本相对较低；另外，钙钛矿材料已被用于探测高能光子、阿尔法粒子、快中子和热中子等领域；除此以外，对于利用钙钛矿材料制备质子束流探测器的领域尚属空白。

【成果简介】

近日，意大利博洛尼亚大学Ilaria Fratelli教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3 制备出用于质子束探测的3D-2D混合钙钛矿柔性薄膜检测器。在5 MeV质子的条件下，探测器的探测束流范围为从4.5 × 10⁵ 到 1.4 × 10⁹ H⁺ cm⁻² s⁻¹，可连续检测的辐射敏感度高达290 nCGy⁻¹mm⁻³，检测下限为72 μGy s⁻¹。

值得一提的是，本文使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3是一款多功能激光直写光刻系统，具有结构小巧紧凑(70cm x 70cm x 70cm)，无掩膜直写系统的灵活性，还拥有高直写速度，高分辨率的特点。采用集成化设计、全自动控制、可靠性高、操作简便。适用于各种实验室桌面。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【图文导读】

图1. PET 柔性基板上的混合 3D-2D 钙钛矿薄膜活性层：结构和形态。

（A）MAPbBr₃ (3D) 和(PEA)₂PbBr₄ (2D)钙钛矿材料的结构示意图。

（B）通过MicroWriter无掩模激光直写机制备出的检测器，图中标尺长度为500 μm。

（c）3D-2D混合钙钛矿材料的低掠射角XRD结果。

（d）3D-2D混合钙钛矿材料的ＡＦＭ表面形貌图。

图2. 3D-2D 钙钛矿材料的电学和光电学方面的性能。

（Ａ）由Microwriter无掩模光刻机制备柔性器件。

（Ｂ）柔性器件在不同弯曲程度条件下的电流－电压曲线图。

（Ｃ）3D-2D钙钛矿材料的PL光谱结果。

（Ｄ）3D-2D钙钛矿材料的紫外－可见光光谱。

图3. 由3D-2D钙钛矿材料制备的柔性质子束探测器的性能。

（Ａ）在探测器层，质子束释放能量的模拟曲线。

（Ｂ）不同电压下和束流下的质子感应电流。

（Ｃ）在1 v条件下，不同照射时间探测器所产生的电流。

（Ｄ）不同束流条件下的信噪比图。

（Ｅ）质子束探测器的稳定重复能力。

（Ｆ）探测器的辐射硬度试验结果。

【结论】

Ilaria Fratelli教授课题组所研发的3D-2D混合钙钛矿柔性薄膜检测器可以检测10⁵-10⁹ H⁺s⁻¹cm⁻²范围内能量为5 MeV质子束流，探测剂量下限为72 μGy s⁻¹，该剂量较之前工作低两个数量级。另外，由于其造价低廉，易于使用，灵敏度高等优点，可用于不同方面的质子束流的监控。为质子束流探测器的大规模使用打下了坚实的基础。同时，从文中也可以看到，随着钙钛矿材料领域制备器件的需求逐渐增多，如何快速开发出符合需求的微纳传感器显得尤为重要。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段。小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型传感器的开发，助力钙钛矿材料领域的研究。