朱 岳, 赵广义, 汪宏年

(吉林大学 物理学院, 长春 130012)

碲锌镉(CdZnTe, CZT)是一种室温半导体核辐射探测器制作材料, 其制成的探测器具有探测效率高、吸收系数大、计数率高、体积小及使用方便等优点[1]. CZT探测器广泛应用于医学、天文和安全防护等领域, 如探测SIMBOL-X宇宙X射线[2]、GRI宇宙γ射线[3]及NuSTAR的X射线等[4]. 在0.5天文单位(AU)内的宇宙空间中执行任务时, 质子可导致多种探测器的辐照损伤[5]. 地球同步轨道的质子积分通量能谱[6]表明, 在质子总通量中能量为0.01～1 MeV的低能质子较多, 能量为10～110 keV的质子约占其40%[7]. 本文用离子在物质中的阻停和射程(SRIM)-2013程序模拟10～100 keV内不同能量和入射角的质子对CZT的辐照损伤效应, 并与半导体料金刚石(C)与硅(Si)进行比较, 分析CZT的抗辐照能力. 由于SRIM程序已成功模拟多种材料的辐照损伤[8-10], 且本文在模拟计算中用位移阈能为实验值, 因此模拟结果更接近实际情况, 可对CZT在外空间材料性能的退化研究及探测器的设计提供基础数据.

1 模拟过程及所需设定参数

按化学式Cd0.9TeZn0.1中的比例设置CZT材料的元素组成, 由献[11]确定其密度为5.78 g/cm3. 在使用SRIM软件时需设定位移阈能、表面阈能和晶格阈能3个参数. 本文表面阈能采用文献[12]的数值： 碲(Te)为4.28 eV； 锌(Zn)为1.61 eV； 镉(Cd)为0.9 eV. 位移阈能采用文献[13-15]的数值: Te为7.8 eV； Cd为5.6 eV； Zn为7.35 eV； 金刚石中C的位移阈能为35 eV； Si的位移阈能为20 eV. 入射粒子的数目设为软件默认最大值99 999. 为便于观察靶的最大深度, 将其设为可记录所有入射粒子运动轨迹的最小值.

用SRIM程序的全级联损伤模式模拟研究质子在CZT中的射程分布、空位产生情况及核阻止与电子阻止本领； 用表面溅射模式模拟计算CZT的表面溅射产额.

2 结果与讨论

2.1 不同能量质子在CZT材料中的能量损失

SRIM程序模拟离子在靶中运动时, 离子在靶中的作用主要分为两类： 1) 与靶中原子的核外电子发生非弹性碰撞, 使电子激发或电离； 2) 与靶中原子核发生弹性碰撞, 使原子核脱离原位置产生空位. CZT靶阻止本领与质子入射能量的变化关系如图1所示, 其中靶对质子的核阻止与电子阻止本领用质子在靶中与原子核及核外电子作用损失的能量关于射程的微分(dE/dx)表示. 由图1可见: CZT对质子的电子阻止本领远大于核阻止本领; 当入射质子的能量逐渐增大时, CZT的电子阻止本领先增大后趋于定值, 核阻止本领逐渐减小. CZT靶能量损失率与质子入射能量的变化关系如图2所示, 其中： 横坐标为入射质子能量; 纵坐标为电离能损与位移能损占入射质子总能量的百分数. 由图2可见： 电离能损约占97%以上, 远大于位移能损, 且随能量的增加而增加； 位移能损小于1%, 随着入射质子能量的增加, 位移能损逐渐降低, 这也是空位数随能量增加, 但增加率逐渐降低的原因.

图1 CZT靶阻止本领与质子入射能量的变化关系Fig.1 Relationship between stopping power of CZT target and incident energy of protons

2.2 不同能量质子辐照CZT及其他材料产生的空位数

不同能量(20,40,60,80 keV)质子垂直入射CZT靶产生的空位数随入射深度的变化关系如图3所示, 其中: 横坐标为空位所在靶深; 纵坐标为平均一个入射粒子在靶单位厚度(0.1 nm)中产生的空位数.

图2 CZT靶能量损失率与质子入射能量的变化关系Fig.2 Relationship between energy loss rates of CZT target and incident energy of protons

图3 不同能量质子垂直入射CZT产生的空位数与入射深度的变化关系Fig.3 Relationship between number of vacancies generated by different energy protons vertical incidence and incident depth in CZT target

图4 不同能量质子入射CZT,Si和金刚石(C)靶产生的空位数 Fig.4 Number of vacancies generated by different energy protons vertical incidence in CZT,Si and diamond(C) target

由图3可见, 在CZT靶中Te的含量最多, 但Te的位移阈能7.8 eV大于Cd的位移阈能5.6 eV, 使得Cd的空位数最多, Zn的空位数最少, 这是由于元素的含量和位移阈能共同影响所致. 随着入射质子能量的增大, 靶中空位分布的峰值所在深度逐渐增加, 20～80 keV能量质子入射空位峰值所在深度为150～620 nm.

不同能量质子入射CZT,Si和金刚石(C)靶产生的空位数如图4所示, 其中: 横坐标为入射粒子的能量； 纵坐标为平均一个入射粒子在靶中产生的空位数. 由图4可见： 3种不同材料受质子辐照产生的空位数均随入射质子能量的增加而增大, 其中CZT远高于Si和金刚石(C)的增加幅度, 表明CZT空位数受入射质子能量变化影响更大; CZT远高于Si和金刚石(C)靶产生的空位数, 最高可达Si和金刚石(C)的4倍, 表明CZT低于Si和金刚石(C)的抗辐照性能.

2.3 不同入射角度的质子辐照CZT及其他材料产生的空位数

当10 keV质子以不同角度(20°,40°,60°,80°)入射CZT靶时, 其产生的空位数随靶深度的变化关系如图5所示, 其中： 横坐标为空位所在靶深; 纵坐标为平均一个入射粒子在靶的单位厚度(0.1 nm)中产生的空位数. CZT靶的最大厚度均设为400 nm. 由图5可见： 当入射角较小时, 空位数随深度变化的分布改变不明显, 入射角大于60°时空位数发生明显变化； 随着入射角的增大, 空位分布峰值所在深度值逐渐减小, 这是由于入射粒子的投影射程减小所致.

图5 10 keV质子以不同角度入射CZT靶产生的空位数与深度的变化关系Fig.5 Relationship between number of vacancies and depth for 10 keV protons at different incident angles in CZT target

10 keV质子以不同角度入射CZT,Si和金刚石(C)靶产生的空位数如图6所示, 其中: 横坐标为粒子入射角; 纵坐标为平均一个入射粒子在靶中产生的空位数. 由图6可见： CZT远高于Si和金刚石(C)靶产生的空位数; 当质子入射角较小时, CZT靶内生成的空位数变化较小, 当入射角大于60°时, 空位数发生明显变化.

2.4 不同能量质子辐照CZT的溅射产额

溅射是指固体材料表面受入射粒子辐照, 其表面或近表面的原子受轰击从靶中脱离的现象； 溅射产额表示平均一个入射粒子溅射的平均靶原子数. CZT靶溅射产额与入射质子能量的变化关系如图7所示, 其中： 横坐标为入射粒子的能量; 纵坐标为平均一个入射粒子引发的溅射原子数. 由图7可见： Cd远大于Te和Zn的溅射产额, Zn的溅射产额最少, 这是由于CZT的元素组成及表面阈能共同影响所致; CZT中各元素的溅射产额均随质子能量增大先增加后减少； 当质子能量为2 keV时, 溅射产额达到最大值； 当质子能量增大到一定程度时, 出现离子注入现象, 使溅射产额呈下降趋势. 将质子辐照CZT的溅射产额与产生的空位数对比可见, 空位数远大于溅射产额.

2.5 不同入射角度质子辐照CZT的溅射产额

能量为10 keV的质子以不同入射角辐照CZT的溅射产额如图8所示, 其中: 横坐标为粒子入射角; 纵坐标为平均一个入射粒子引发的溅射原子数. 由图8可见： Cd的溅射产额最大； 随着入射角的增大, 各元素的溅射产额逐渐增大, 当入射角大于60°时, 溅射产额快速增大. 因此, 质子入射角变化对CZT溅射产额的影响较大.

图6 10 keV质子以不同角度入射CZT,Si和金刚石(C)靶产生的空位数Fig.6 Number of vacancies for 10 keV protons at different incident angles in CZT,Si and diamond(C) target

图7 CZT靶溅射产额与入射质子能量的变化关系Fig.7 Relationship between sputtering yields and incident protons energy in CZT target

2.6 质子辐照不同厚度CZT靶的溅射产额

质子辐照CZT靶溅射产额与靶厚度的变化关系如图9所示, 其中: 横坐标为CZT靶的最大厚度; 纵坐标为平均一个入射粒子引发的溅射原子数. 由图9可见, 溅射产额在初始时增加较快, 在20 nm后增加幅度减弱, 并在100 nm处达到最大值.

图8 CZT靶溅射产额与质子入射角度的变化关系Fig.8 Relationship between sputtering yields and incident angles of protons in CZT target

图9 质子辐照CZT靶溅射产额与靶厚度的变化关系Fig.9 Relationship between sputtering yields and thickness of target for protons radiation in CZT target

综上, 本文利用SRIM程序模拟了质子对CZT的辐照损伤. 结果表明： 质子在CZT材料中能量损失主要为电离能损, 位移能损所占百分数小于1%； 当入射质子能量逐渐增大时, 空位峰值所在深度值逐渐增加； 当质子的入射角增大时, 空位峰值所在的深度值减小, 初始时空位数变化较小, 当入射角大于60°时, 空位数呈降低趋势； 当受相同能量的质子辐照时, CZT比Si和金刚石靶的位移损伤大, 抗辐照性能低于半导体材料Si和金刚石； CZT靶的溅射产额随质子能量的增大先增加后降低, 峰值能量为2 keV； 随着质子入射角的增大, CZT靶溅射产额逐渐增大, 且入射角大于60°时增大明显； 当CZT靶厚度逐渐增加时, 溅射产额整体趋势为增大后趋于不变； CZT靶的空位数远大于溅射产额.