综述：BNL高原子序数半导体辐射探测器的研究进展

这篇综述系统总结了布鲁克海文国家实验室(BNL)在高原子序数(High-Z)半导体辐射探测器领域的最新进展，重点探讨了碲锌镉(CZT)、溴化铊(TlBr)、锗(Ge)、非晶硒(a-Se)和铯铅溴(CsPbBr3)等材料的特性优化、器件设计创新(如虚拟Frisch栅VFG结构)及其在γ射线成像、同步辐射X射线探测等领域的应用突破，为下一代高性能辐射探测系统开发提供了重要参考。

　　

高原子序数半导体材料正推动辐射探测技术革新。布鲁克海文国家实验室的研究团队在碲锌镉(CZT)探测器领域取得突破性进展，通过虚拟Frisch栅(VFG)设计将¹³⁷Cs在662 keV的能量分辨率提升至0.9%。这种位置敏感探测器采用3D校正技术，有效解决了晶体缺陷导致的响应不均匀问题，其8×8×32 mm³规格的探测器阵列已应用于AMEGO空间望远镜项目。

溴化铊(TlBr)因其高密度(7.56 g/cm³)和室温稳定性成为CZT的有力竞争者。实验数据显示，5×5×12 mm³的TlBr探测器经3D校正后，能量分辨率从3.1%优化至1.6%，电子噪声贡献仅0.8%。值得注意的是，约5%的测试样品展现出<2%的优异分辨率，这为开发便携式放射性同位素识别设备(RIID)奠定了基础。

在硬X射线探测方面，高纯锗(HPGe)探测器展现出独特优势。研究团队开发的64条带Ge探测器在60 keV能量下达到450 eV分辨率，接近理论法诺极限(354 eV)。通过创新性采用钇(Y)薄膜作为空穴阻挡层，成功将漏电流控制在nA级别，为同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)研究提供了新工具。

非晶硒(a-Se)凭借其超高空间分辨率(<5 μm)在医学影像领域大放异彩。实验证明，直接沉积在CMOS读出芯片上的a-Se层可实现7.8 μm像素间距，其动态响应特性虽存在毫秒级衰减，但在单次曝光成像中表现卓越。特别值得注意的是，在70 V/μm电场下观察到的雪崩倍增效应，使量子效率突破理论极限。

新兴的铯铅溴(CsPbBr₃)钙钛矿材料展现出惊人潜力。通过逆向温度结晶法(ITC)生长的晶体具有10⁹-10¹⁰ Ω·cm的高电阻率，其载流子迁移率(20-500 cm²V^-1s^-1)虽不及CZT，但3×3×6 mm³规格探测器已实现1.4%的662 keV γ射线能量分辨率。研究发现，微量铷(Rb)掺杂可将空穴μτ乘积提升至7.2×10^-4 cm²V^-1，X射线灵敏度达8,097 μC Gy_air^-1 cm^-2。

这些材料各具特色：CZT具有卓越的辐射抗性，能承受10⁷ p/cm²质子辐照；TlBr兼具高原子序数(Tl=81)和相对低廉的成本；Ge保持着X射线能谱分析的"金标准"；a-Se实现亚毫米级空间分辨率；CsPbBr₃则展现出可溶液加工的独特优势。随着材料提纯工艺和器件结构的持续优化，这些半导体探测器必将在核物理、天体物理、医学成像和工业检测等领域发挥更大作用。