Nature：基于二维半导体6LiInP2Se6的直接热中子探测

研究背景

由于中子与大多数物质的相互作用很弱，直接进行中子探测面临巨大的挑战。中子探测器是利用某些核素的性质，这些核素在捕获中子后会衰减成高能带电碎片，实际上，只有3He，10B和6Li结合了高中子被俘获交叉面和可探测的衰变产物，并且这些同位素目前已被用作各种探测器结构中。
高效的中子探测器在国家安全，医学，天文学等许多领域都严重。目前广泛使用的中子探测器主要有两种类型：气体探测器和闪烁体探测器。探测器，半导体中子探测器体积更小，在某些方面方面的优势，因此成为一些科学家研究的重点目标。半导体中子探测器分为两类：间接和直接转换探测器，间接转换半导体的热中子检测效率最高约40％，而直接转换半导体将单个材料用作中子捕获和散射收集，从而实现更简单的探测器几何形状，固有的热中子探测效率接近100％。但是，由于中子通量可能非常低，产生的激发数量非常少，因此半导体必须非常纯净且载流子捕获获率低。因此，可用于中子探测器的半导体材料并不好找，其中6Li因具有出色的中子吸收能力，被认为是一种理想的预定材料，但Li遇水会碎裂，要转化成功用于半导体中子探测，还需要解决如何将锂集成到半导体中并转换稳定等难题。


成果介绍

该材料具有良好的热中子被俘获截面，合适的带隙（2.06 eV）和能够有效传输带宽的能带结构。将来自241Am源的α粒子作为中子捕获反应的替代物，二维LiInP2Se6探测器可以分辨出全能量峰，能量分辨率为13.9％，同时使用适当的6Li（95％）的6LiInP2Se6全峰分辨探测器，可以实现对减速的Pu-Be中子源直接进行中子探测。在各个领域，小型中子探测器都有很大应用空间，该研究成果将会激发科学家对半导体中子探测器的研究兴趣，从而使基于半导体的中子探测器取代3He计数器（目前应用较广的一种中子气体探测器）成为可能。以“通过2D半导体6LiInP2Se6进行直接热中子检测”为题发表在顶级期刊Nature上。


图文导读

图1. LiInP2Se6的结构特性。
（a，b）LiInP2Se6的晶体结构。LiInP2Se6是二维层状半导体，层与层之间以范德华力相结合，每个单独的层都具有CdI2的晶体结构，其中Li，In和P2分别以有序方式占据八面体Cd位置的三分之一，Se占据I位置，这些层遵循ABAB顺序堆垛，以使InSe6多面体对齐，而LiSe6和P2Se6多面体沿c轴交替。
（c）在反应容器的原料端通过CVT生长的LiInP2Se6片状晶体。
（d）在室温下采集的LiInP2Se6的拉曼光谱，在633 nm的激发下显示出几个易于分辨的峰，与In-Se键和P2Se6单元相关的特征振动模式一致。

图2. LiInP2Se6单晶的能带结构和光学性质。
（a，b）电子能带结构和态密度。电子能带结构的密度泛函理论计算使用PBE+vdW泛函进行，表明LiInP2Se6是一种间接带隙半导体，其带隙从价带的最大Ｋ点附近到导带的Γ点带隙跃迁，最小带隙为0.94 eV。导带由与空的In 5s孤对关联的In s和Se p杂化态组成，而价带由Se p态组成。导带具有高曲率，对应于面内和面外方向的低有效电子质量（me*）分别为0.16 me和0.30 me，价带的最大值在倒易空间（K到H）中沿着面外方向，并且该方向上的价带非常平坦，因此，面外方向上的空穴有效质量会很大。考虑到材料的平面性质使器件在面外方向上工作， LiInP2Se6中的电子迁移率预期非常优越。
（c）LiInP2Se6的UV-Vis-NIR透射光谱用于测量带隙，该带隙为2.06 eV。
（d）LiInP2Se6在12.5 K和2 mW下获得的PL光谱和PL发光图像。生长的单晶表面激发出红橙色发射光，可以观察到两个宽发射带，最大峰值在1.73 eV和2.05 eV附近。激发强度和温度相关的PL测试表明1.73 eV处的峰是施主-受主对复合，2.05 eV处的峰为自由-束缚跃迁。尽管存在这些与缺陷相关的峰，但是来自该间接带隙材料的强PL信号表明具有良好的光学质量。

图3. α粒子和γ射线源辐照的LiInP2Se6器件的电学特性和脉冲高度谱。
（a）对于带金电极的通过CVT生长的LiInP2Se6（~0.3 mm厚度），在环境光（~0.2 mW cm-2）照射下，暗电流和光电流（绝对值）与电压（-100 V至100 V）的关系。原始的LiInP2Se6器件表现出非常低的暗电流，约为皮安级，对应于约1013 Ω cm的高电阻率。当暴露在环境光（~0.2 mW cm-2）下时，LiInP2Se6探测器中的光生电荷载流子会将电流增加三到四个数量级，这是一种出色的光响应，表明LiInP2Se6具有良好的电荷传输特性。
（b）在不同电压下用5.486 MeV 241Am α粒子辐照的LiInP2Se6器件（厚度约120 μm）的脉冲高度谱，用于电子收集，每次收集60 s。由于在更高的施加电场下可以获得更高的电荷收集效率（CCE），随着电压的升高，α粒子相互作用产生的峰移至更高的通道数。LiInP2Se6探测器在700 V时的全能量峰的能量分辨率为13.9％，这表明LiInP2Se6可以准确地解析中子相互作用产生的带电粒子。对于各种样品上施加恒定电压，由于外部电场较大，因此较薄样品的CCE较高。这些结果最终证明LiInP2Se6器件可以实现对241Am α粒子进行高分辨光谱响应。
（c）在由241Am和57Co发出的γ射线照射以及无源时，在700 V偏压下LiInP2Se6探测器（约0.5 mm厚度）的脉冲高度谱。对于57Co γ射线和自然背景的计数可以忽略不计，光谱每次收集200 s。理想的中子探测器应对γ射线不敏感，以确保不会因入射γ辐射而产生错误的中子计数，尽管通量较高，环境背景和直接γ射线辐照下的脉冲高度光谱基本相同，表明该材料对γ射线的敏感性可忽略不计。
（d）与b中相同的条件下，在700 V下的脉冲高度谱。在a-d中，晶体上的接触面积为3×3 mm2，b-d中的成形时间为1 μs。当施加较大的电压时，会观察到类似二极管的电流-电压曲线，而在1000 V时，低暗电流保持在2 nA，足以进行有效的α粒子和中子探测，此电学行为可能是在高达几十千伏/厘米的大电场下来自电极的阻塞/注入电流引起的。

图4. 6LiInP2Se6器件的热中子光谱。在室温下，使用减速且非常弱的Pu-Be源测试了富含95％ 6Li的探测器的热中子响应，该源每平方厘米每秒大约产生75个中子。
（a）在300 V偏置，3 μs成形时间和30分钟的测试下，暴露于无屏蔽（红色）和Cd屏蔽（0.125英寸厚；黑色）的减速的Pu-Be中子源和弱约5倍的光源（灰色）的6LiInP2Se6器件合并的脉冲高度谱，显示了一个确定的峰，该峰可以从背景中清楚地分辨出来，表明直接探测到了中子。非屏蔽测量的计数率为0.95 s-1 cm-2，当将Cd屏蔽层放置在器件前以阻挡大部分热中子时，计数率降低了87％，减少的原因是中子吸收低于Cd的截止能量（0.5 eV），同时该中子俘获峰的能量分辨率为69.7％。
（b）用于在a中测试的7×7 mm2的6LiInP2Se6器件（厚度为90 μm）。


总结与展望

本文制备了第一个基于新型二维半导体材料6LiInP2Se6的直接热中子探测器，具有优异的探测性能和高达13.9%的能量分辨率，实现了对241Am α粒子的光谱探测。出色的半导体性能和辐射响应表明，LiInP2Se6具有改变当前热中子探测技术的潜力，为半导体材料用于直接转换热中子探测奠定了基础。

文献信息

Direct thermal neutron detection by the 2D semiconductor 6LiInP2Se6 (Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-019-1886-8)
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1886-8