单晶金刚石在 X 射线与紫外探测领域的应用研究

金刚石兼具优异的光学透射性能与红外透过特性，同时具备 X 射线高穿透性，辅以其突出的半导体特性、超高机械硬度与抗辐照能力、极高热导率、化学惰性及超强力学强度等综合性能，使其长期在光学、红外、紫外及 X 射线探测等科学技术领域受到广泛关注，并可适配包括极端工况在内的多元应用场景。实际上，金刚石的上述特性早已蕴含于其名称词源 —— 希腊语 "αδαµα (adama)" 之中，该词汇本义即为不可征服、坚不可摧。

金刚石的材料特性几乎能够满足辐射探测材料的全部严苛性能要求。依托其卓越的综合性能，金刚石探测器呈现出多方面技术优势，包括：低噪声特性、快速响应能力、高抗辐照性能、高温工况适应性、可利用本征脉冲形状甄别特性区分不同辐射类型，以及支持脉冲模式与电流模式双模式运行等。此外，金刚石原子序数较低（Z = 6），与人体组织原子序数接近，这一特性使金刚石在辐射剂量学与微剂量学领域受到高度关注并获得广泛应用。

将天然金刚石应用于辐射探测器的研究可追溯至 1941 年，即核时代起步阶段。天然金刚石的早期应用聚焦于其光电导特性，科研人员由此观测到天然金刚石作为辐射探测器的物理作用机理。地质作用形成的天然金刚石为单晶结构，但其晶格中普遍存在杂质，其中氮元素为最主要的杂质成分。杂质会引发光学缺陷，进而改变金刚石的电子学特性。依据氮含量差异，天然金刚石可划分为四类：1a 型（自然界中分布最广，占比约 98%）、1b 型、2a 型及 2b 型。其中 2a 型金刚石最适宜用于辐射探测领域，因其氮含量极低，具备优异的电子学性能与紫外辐射透射率。然而，尽管天然金刚石具备上述优势，受限于资源稀缺且成本高昂，其在辐射探测领域的规模化应用仍较为有限。

近数十年来，随着先进生长技术的持续突破，高质量人造金刚石薄膜已实现规模化制备。其中微波等离子体增强化学气相沉积（MPCVD）技术为目前最为主流的制备工艺。依托该技术路线，多晶金刚石（p-CVD）率先实现制备，2000 年以后单晶金刚石（SCD）相继研发成功并推向产业化应用。单晶金刚石（SCD）的单晶结构在辐射探测应用中展现出远优于多晶金刚石（p-CVD）的性能表现，因而在该领域获得广泛应用。由于人造单晶金刚石（SCD）可探测几乎所有类型的直接与间接电离辐射，且能量响应范围极宽，基于该材料的探测器已被开发并应用于众多领域，涵盖中子、带电粒子与 γ 射线的探测及剂量测定，以及 X 射线与紫外线探测等。值得关注的是，该类探测器在高能物理新型探测器的技术演进中发挥了至关重要的作用。

金刚石在 180 nm 至 100 µm 的宽光谱范围内均具备电磁辐射透射特性，因而在光学技术领域展现出卓越的应用潜力。紫外与 X 射线波段探测对于各类科学研究与技术应用具有重要意义，例如紫外天文学、等离子体诊断、树脂清洗、燃烧工程、水体净化、火焰探测、生物效应研究等。合成金刚石可用于制备 "双波段"（可见光 / 红外）系统的红外热成像窗口，以及高功率激光器反射镜或 X 射线同步辐射光学窗口 / 显示器件等。具备高纯度与高晶体结构完整性的合成金刚石同样是 X 射线光学单色器的理想备选材料。

自 19 世纪初期以来，电磁波谱中的紫外与 X 射线（UV/X）波段逐渐受到学界关注，多种类型的 UV/X 探测器相继被开发，其中以硅基探测器与光电倍增管为主要代表。上述器件存在若干显著缺陷：量子效率偏低，需配备滤光片以阻挡低能光子（如可见光与红外光），而光电倍增管则需外接高压电源。航空航天、汽车工业以及各类研究活动（如等离子体诊断、加速器、自由电子激光器（FEL）、空间与天体物理学等）持续推动前沿技术发展，要求器件能够耐受极端恶劣环境（包括化学腐蚀、高温与强辐射环境等）。因此，当前主流研究方向聚焦于开发基于宽禁带半导体的新一代 UV/X 探测器，其中金刚石被视为最具发展前景的核心材料。高可靠性紫外与 X 射线探测器的研发需求已成为重要研究课题，例如在 X 射线剂量测定、紫外 / X 射线天体物理学以及聚变等离子体实验中，均需用于探测等离子体发射的 X 射线与紫外辐射。在聚变等离子体实验中，金刚石探测器还被用于测量聚变反应释放的中子，且基于人造单晶金刚石的 X 射线与紫外探测器已在 JET 与 FTU 聚变托卡马克装置中验证了良好的工作性能。

金刚石材料对可见光波段无显著响应特性，这一特性使其在紫外线与软 X 射线探测领域具备天然适配优势。其中，单晶金刚石可为高性能深紫外探测器提供业界最优的品质因数参数。

此外，金刚石基紫外与 X 射线光电探测器具备结构紧凑的尺寸特征，高温工况下可实现无冷却运行，同时兼具优异的抗辐照性能，因而能够充分适配极端恶劣环境下的应用需求。化合积电可为各行业客户提供高品质单晶金刚石材料，支撑高性能探测器的研发与制备。