钨掺杂氧化铟薄膜的γ射线灵敏度增强机制及其传感应用研究

【编辑推荐】本研究针对γ射线传感器灵敏度不足的问题，通过喷雾热解法制备钨掺杂氧化铟（W-doped In2 O3 ）薄膜，系统分析了25-200 Gy剂量γ辐照对其结构、光学及电学性能的影响。研究发现辐照后氧空位缺陷导致光带隙缩小、光致发光峰增强，热释光曲线出现2300 C新峰，灵敏度达467.9 mA/cm2 /Gy，为高灵敏度γ传感器开发提供了新材料体系。

　　

γ射线因其高穿透性广泛应用于医疗放疗、核工业等领域，但现有传感器的灵敏度与稳定性难以兼顾。金属氧化物薄膜虽成本低廉，但纯氧化铟（In₂
O₃
）的辐射响应性能有待提升。过渡金属掺杂可引入局域能级调控材料性能，其中钨（W）因价态差异大，能显著改善氧化铟的辐射硬度，但低剂量γ辐照下W掺杂效应的微观机制尚不明确。

为解决上述问题，来自印度国家技术学院卡纳塔克分校（NITK）与曼尼帕尔高等教育学院（MAHE）的联合团队通过喷雾热解法（spray pyrolysis）制备2 at% W掺杂In₂
O₃
薄膜，系统研究25-200 Gy ⁶⁰
Co γ辐照对其性能的影响。研究发现辐照诱导的氧空位主导了材料灵敏度提升，相关成果发表于《Journal of Luminescence》。

研究采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、显微拉曼光谱（micro-Raman）等表征技术，结合光致发光（PL）和热释光（TL）分析。结果显示：

X射线衍射分析
辐照后薄膜保持立方相多晶结构，（400）晶面择优取向。100 Gy剂量下晶粒尺寸最小（23.5 nm），更高剂量因辐射热效应导致晶粒粗化。拉曼光谱在305 cm^-1
和495 cm^-1
的特征峰证实立方相结构稳定性。

形态与元素分析
FESEM显示辐照后晶界模糊化，X射线光电子能谱（XPS）证实W⁶⁺
成功掺入晶格。氧空位浓度随剂量增加而升高，直接关联于电导率提升。

光学性能演变
紫外-可见光谱显示光学带隙从3.75 eV降至3.45 eV（200 Gy），PL强度增强源于缺陷辅助的激子复合。TL曲线解卷积发现230⁰
C新峰，对应W掺杂引入的陷阱能级。

灵敏度量化
在1-5 V偏压下，灵敏度达92.3-467.9 mA/cm²
/Gy，较未掺杂样品提升3倍。这种增强源于W⁶⁺
与In³⁺
的价态差异导致的电荷补偿效应。

该研究阐明钨掺杂通过调控氧空位浓度和陷阱能级分布，显著提升氧化铟薄膜的γ响应性能。所开发的材料兼具高灵敏度（较文献值提升47%）和优异辐射硬度，为便携式辐射剂量计提供了新选择。研究首次报道W掺杂In₂
O₃
在低剂量区的线性响应特性，对医疗放疗精准剂量监测具有重要应用价值。团队建议后续研究可探索掺杂浓度梯度对超高剂量（>1 kGy）响应的调控规律。