石墨烯场效应晶体管中对电离辐射的响应

《Radiation Physics and Chemistry》：Ionizing Radiation Responses in Graphene Field Effect Transistor

石墨烯场效应晶体管（GFET）在钴-60（1.17/1.33 MeV γ）、锶-90（0.546 MeV β）和碘-131（0.971 MeV β/γ）辐射下的电响应研究表明，γ辐射导致约1%电流可逆增加，β辐射引发约12%电流下降，而混合β/γ辐射（碘-131）造成84-86%电流骤降，揭示表面电荷捕获与体效应的协同作用。实验采用Si/SiO?基板，四端电极结构，通过实时监测I-t和Ids-Vg曲线，证实石墨烯可区分不同辐射机制，为医疗、核能及航天领域实时同位素剂量计提供新方案。

　　

Merve Eren YAKI?IKLIER | Hidayet ?ET?N | Seyhan KARA?AVU?

索尔贡职业学校，约兹加特博佐克大学，约兹加特，土耳其

摘要

石墨烯没有体积，且表面积与体积的比率很高，其电学性质对表面相互作用非常敏感。这使其成为下一代辐射传感器的理想候选材料。在本研究中，我们探讨了在Si/SiO₂衬底上制造的石墨烯场效应晶体管（GFET）在不同电离辐射源作用下的辐射响应。使用⁶⁰Co作为γ射线发射源（1.17和1.33 MeV），而⁹⁰Sr（0.546 MeV）和¹³¹I（0.971 MeV）作为β射线发射源。研究结果表明，该器件的电学响应因辐射类型和能量的不同而有所差异。暴露于⁶⁰Co时，电流仅有约1%的可逆增加；而⁹⁰Sr产生的β粒子则导致电流下降约12%，这与表面电荷捕获现象一致。在¹³¹I照射下，电流降幅最大，达到84–86%，反映了β射线和γ射线共同作用的结果。与以往仅关注单一辐射源的研究不同，本工作在同一GFET平台上直接比较了γ射线、β射线以及β/γ混合辐射源的影响。研究结果表明，石墨烯器件不仅具有高灵敏度，还能区分表面主导、体主导和混合相互作用机制，这凸显了其在医疗、核能和太空应用中实现实时、同位素特异性剂量测量的潜力。

引言

二维（2D）材料为电离辐射检测开辟了新的途径。石墨烯由单层sp²键合的碳原子组成，具有极高的载流子迁移率以及高表面积与体积比（Geim和Novoselov，2007年）。载流子迁移率决定了单位电荷的电导率，在辐射传感器的灵敏度中起着关键作用，因为它决定了材料对辐射引起的电荷传输变化的响应强度（Knoll，2010年；Avouris等人，2007年；Ma等人，2007年；Durkop等人，2004年；Wei等人，2001年）。

因此，任何由入射光子或粒子产生的缺陷或电荷陷阱都会扰乱整个电子传输过程，使得即使是很低的辐射剂量也能被电学上检测到（Behera，2024年；Jiang等人，2024年）。

除了高灵敏度外，石墨烯还因其强σ键和弱的自旋-轨道耦合而具有天然的辐射抗性。早期研究表明，基于石墨烯的场效应晶体管（GFET）可以作为辐射传感器。Foxy等人（Foxe等人，2009年）首次报道了使用GFET检测电离辐射的情况，观察到在X射线和γ射线照射下电导率的可测量变化。Patil等人（Patil等人，2011年）随后用类似的晶体管结构证实了其高灵敏度。Li等人（Li和Chen，2016年）的一项重要进展是，石墨烯FET剂量计在X射线、γ射线和质子照射后显示出明显的狄拉克点移动，并且能够承受高总电离剂量应力。Batignani等人（Batignani等人，2019年）开发了具有线性、低泄漏特性的基于石墨烯的电离辐射传感器，进一步支持了其在实际应用中的可行性。

最近的进展展示了石墨烯的多功能性。Tawfik等人将单层石墨烯通道与射频环形振荡器读出电路集成在一起，实现了对β射线和γ射线的亚Gy级检测（Tawfik等人，2022年）。有限元设计研究进一步优化了GFET的结构，预测了mGy级别的灵敏度（Behera，2024年）。同时，SiC二极管上的外延石墨烯接触在6 MeV LINAC束流中实现了线性、低泄漏的剂量测量，证明了其与宽禁带探测器平台的兼容性（Lopez等人，2024年）。

Cazalas等人发现γ射线会降低带有h-BN薄膜的石墨烯器件中的载流子密度，从而抑制I_ds电流（Cazalas等人，2019年）。Yasein等人报告称，γ射线和β射线照射都会改变石墨烯氧化物的缺陷密度，显著影响其导电性（Yasein等人，2020年）。Abay等人证明β射线照射会改变掺杂石墨烯的PVA/Si纳米结构的电学性能（Abay等人，2024年），而Chavda等人研究了γ射线对单层CVD生长石墨烯的结构和电子特性的影响（Chavda等人，2025年）。

这些结果表明，辐射类型和支撑衬底共同决定了传感器的响应。特别是具有β/γ混合发射的同位素（如I-131）可能会因表面和亚表面相互作用而产生混合响应。尽管取得了进展，但仍存在一些未解决的问题，例如石墨烯器件对穿透性γ射线与浅层β射线的相对灵敏度、衬底电荷捕获的作用，以及缺陷积累所设定的最终剂量限制。因此，本研究调查了在1.33 MeV γ射线⁶⁰Co和β射线发射源⁹⁰Sr（0.546 MeV）及¹³¹I（0.971 MeV）作用下，Si/SiO₂支撑的GFET的响应。通过实时监测源-漏电流和栅极调制，我们旨在阐明主导的相互作用机制，并为下一代晶圆级石墨烯剂量计的设计提供依据。

材料

使用Keithley 2612 A仪器对GFET传感器的电学特性进行了测量。AZ5214光刻胶、石墨和MIF726显影剂购自MicroChemicals公司。Nanografi公司提供了硅/二氧化硅（Si/SiO₂）衬底。本研究中使用的放射性源的标称活度分别为⁶⁰Co和⁹⁰Sr源0.1 μCi，¹³¹I源1 mCi。所有辐照实验均在固定源-器件距离9厘米的条件下进行，几何结构相同。

结果与讨论

在本研究中，我们制备了一个具有四端金属电极结构的GFET器件，以研究石墨烯在电离辐射下的结构和电学响应。该器件的光学显微镜图像显示，宽度约为3.28μm的石墨烯通道与四个经过光刻处理的金属电极对称连接。这种接触几何结构允许进行四探针测量，从而最小化接触电阻的影响，提高测量精度。

结论

本研究考察了石墨烯（一种对环境变化高度敏感的材料）是否可以作为辐射探测器。我们将GFET暴露于⁶⁰Co γ射线（1.17和1.33 MeV）、⁹⁰Sr β粒子（546 keV）和¹³¹I β粒子（0.971 MeV）下进行测试。制备的GFET经历了受控辐照，监测了不同辐射条件下的源-漏电流变化。时间-电流（I–t）和转移电流（I_ds–V_g）测量结果均显示出明显且可重复的响应特征。

CRediT作者贡献声明

Merve Eren YAKI?IKLIER：撰写初稿、资源准备、研究设计、概念构建。 Seyhan Kara?avu?：资源准备、概念构建。 Hidayet ?etin：审稿与编辑、撰写初稿、方法设计、概念构建。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成利益冲突：Hidayet ?ETIN表示得到了约兹加特博佐克大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。