Elektrooptický Pockelsův jev v detektorech Rentgenova záření

• Thesis title in Czech: Elektrooptický Pockelsův jev v detektorech Rentgenova záření
• Thesis title in English: Electrooptic Pockels effect in X-ray radiation detectors
• Key words: elektrooptický jev, Pockelsův jev, elektrické pole
• English key words: electrooptic effect, Pockels effect, electric field
• Academic year of topic announcement: 2012/2013
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: čeština
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: prof. Ing. Jan Franc, DrSc.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 12.10.2012
• Date of assignment: 15.10.2012
• Confirmed by Study dept. on: 17.01.2013
• Date and time of defence: 05.09.2013 00:00
• Date of electronic submission: 29.07.2013
• Date of submission of printed version: 29.07.2013
• Date of proceeded defence: 05.09.2013
• Opponents: doc. RNDr. Pavel Moravec, CSc.
• Advisors: doc. RNDr. Pavel Hlídek, CSc.

Guidelines

1. Prostudovat literaturu o použití elektroptických jevů se zaměřením na
stanovení profilu elektrického pole
2. Doplnit zařízení pro měření Pockelsova jevu o termoelektrický chladíč a regulátor teploty
2.Proměřit profil elektrického pole v detektorech vysokoenergetického záření
(CdTe, CdZnTe,) v závislosti na přiloženém napětí a teplotě
3. Stanovit energie hlubokých hladin zodpovědné za polarizaci
4. Vypracovat model popisující získaná experimentální data

References

(1) A.Cola, I.Farella, Appl.Phys.Lett. 94 102113 (2009)
(2) H.Toyama, 2006 Nuclear Science Symposium Conference Record, p. 3694
(3) D.Bale, C.Szeles, Phys.Rev.B 77, 035205 (2008)
(4) J.Franc, R.Grill, R.James, J.Kubat, E.Belas, P.Hoschl, P.Moravec, P.Praus
Proc.SPIE, 7449 (2009), 74490A-1

Preliminary scope of work

V poslední době lze pozorovat zvýšený zájem o detektory vysokoenergetického záření pracující za vysokých fotonových toků pro selektivní nebo hyperspektrální rentgenovské zobrazování. Energetické rozlišení dosažitelné v detektorech na bázi CdTe a CdZnTe otevírá řadu nových potenciálních aplikací této detektorové technologie v lékařském zobrazování, průmyslové analýze defektů a v neposlední řadě v bezpečnostních aplikacích. Prakticky všechny zobrazovací aplikace vyžadují vysoké fotonové toky, které vyvolávají v detektorovém materiálu takové koncentrace elektron-děrových párů, že dochází k výrazné změně kvazi-Fermiho úrovní hlubokých hladin a s tím spojenou akumulací prostorového náboje mající za následek stínění přiloženého elektrického pole (polarizaci) a pokles účinnosti sběru náboje. Omezení akumulace prostorového náboje představuje v současné době jednu z největších výzev, které komunita zabývající vývojem polovodičových detektorů rentgenova a gama záření čelí.
Hlavním důvodem polarizace je přítomnost cizích a přirozených defektů v takové koncentraci, jež má za následek záchyt volných nosičů na hlubokých energetických hladinách příslušným těmto defektům. Tento efekt může být navíc umocněn v případě rozdílu výstupních prací kovu a polovodiče zahnutím pásů na rozhraní obou materiálů, jež způsobí vyprázdnění hlubokých hladin v oblasti zahnutí, a tím i zvýšenou pravděpodobnost záchytu volných nosičů generovaných dopadajícími fotony.
Efekt polarizace za malých fotonových toků byl studován již od sedmdesátých let minulého století. K polarizaci (postupný pokles účinnosti sběru náboje v důsledku deformace elektrického pole v detektoru) obvykle dochází v časovém horizontu desítek minut až několika hodin v důsledku záchytu fotogenerovaných děr na hlubokých hladinách poblíž středu zakázaného pásu (1,2). Efekt polarizace za nízkých toků je možno omezit aplikací periodicky spínaného napětí, kdy se systém v mrtvých dobách, kdy nedochází ke sběru náboje vrací do rovnováhy a akumulace prostorového náboje je omezena na velmi krátkou dobu (~1 μs).
Naproti tomu v případě vysokých fotonových toků dochází k akumulaci prostorového náboje a následné polarizaci v časovém horizontu násobků doby záchytu nosiče na hluboké pasti, což pro obvyklé záchytné průřezy odpovídá době ~1-100μs. (3) V tomto případě dojde v době kdy detektor aktivně sbírá náboje k záchytu takového množství nosičů na hlubokých hladinách, které vede k deformaci elektrického pole a polarizaci. Omezení těchto pro účinnou detekci fatálních jevů pomocí periodicky spínaného napětí není v tomto případě možné a je tedy nutno hledat nové koncepty řešení.
V případě vysokých fotonových toků se prostorový náboj přítomný v polovodiči v důsledku zahnutí pásů sčítá s prostorovým nábojem v důsledku záchytu fotogenerovaných nosičů na pastech. Náboj přítomný v důsledku zahnutí pásů pak může polarizaci zvýšit (má-li stejné znaménko jako náboj na pastech) nebo snížit, má-li znaménko opačné. Numerické simulace fotoelektrického transportu na struktuře Au/CdTe/Au (4) ukázaly, že při malém zahnutí pásů na rozhraní kov/polovodič (100-200meV) mají oba typy prostorového náboje řádově stejnou velikost. Tento fakt otevírá možnost optimalizace průběhu interního elektrického pole a snížení polarizace za vysokých toků změnou rozdílu výstupních prací mezi kovem a polovodičem. Toho lze dosáhnout volbou vhodného kontaktního kovu včetně případné aplikace mezivrstvy a rovněž mírnou změnou polohy Fermiho meze v oblasti poblíž středu zakázaného pásu pomocí změny kompenzačních poměrů ve vzorku, a to tak, aby materiál zůstal semiizolační.
Jedná se o celosvětově vysoce aktuální problematiku v důsledku významu vyvíjených polovodičových detektorů na bázi semiizolačního CdTe pro aplikace v lékařském zobrazování a průmyslové analýze defektů.