中子探測在核能、核醫學、航天及深空探測、放射物質檢測、無損檢測成像、中子散射等許多國民經濟、國防安全以及基礎科研領域有着重要應用。由于中子的電中性特性，以及核力短程性對其進入原子核所構成的限制，對慢中子的探測主要依賴于一些特殊的輕核核素（如³He、¹⁰B和⁶Li）。然而，随着需求的不斷增長，中子探測材料的發展和應用也面臨着挑戰。一方面，全球性的³He氣體嚴重短缺迫使人們大力研究可替代³He氣體正比計數器的其他探測器技術（³He alternative detectors）；另一方面，中子探測器的高性能多應用場景需求也亟待新型中子探測材料的開發研究。在過去幾十年中，利用含⁶Li和¹⁰B材料制備出的固體探測器被廣泛研究，例如閃爍體探測器和¹⁰B/⁶Li轉換層塗覆的半導體探測器等。在上述器件中，閃爍體和間接型探測半導體涉及到多次能量轉換和傳遞過程，會造成顯著的能量損失，限制了探測器能量分辨率和探測效率的改善，而複雜的器件結構和高昂的制造成本又進一步限制了這類中子探測材料的發展。

直接型半導體探測器能夠在單一材料層中實現中子俘獲、能量沉積、載流子産生和收集，具有接近100%的理論本征探測效率和器件結構簡單的特點。然而，在設計和開發具有适用于直接中子探測的材料時仍然面臨諸多困難。适合于直接探測中子的半導體材料應富含Li/B等強中子吸收元素、較大的帶隙、高電子/空穴遷移率與壽命，以及可制備出大塊高質量單晶等要求，目前已知的能同時較好地滿足上述條件的材料體系不多。2020年美國研究人員在《自然》期刊上報道了關于利用化學氣相傳輸法制備出新型半導體LiInP₂Se₆片狀單晶，并且利用該材料制備的探測器實現了熱中子的靈敏探測。但是基于化學氣相傳輸法（CVT）得到的LiInP₂Se₆單晶厚度隻有百微米量級，工藝過程無法放大且可控性差，這極大地限制了中子探測效率。開展大尺寸、高質量LiInP₂Se₆單晶研究，可能推進和實現世界上第一個高效率、直接型熱中子半導體探測器的實際應用，對于中子探測技術領域來說是極大的進步和革新。

針對上述關鍵問題，beat365李千副教授課題組聯合工程物理系楊祎罡教授課題組等團隊開發了一種大尺寸、高質量LiInP₂Se₆單晶的生長方法，通過Bridgman法制備出厘米量級的塊體單晶，并實現了熱中子探測原型器件的驗證。研究中，通過調控Bridgman法生長工藝（過熱溫度、結晶溫度梯度、坩埚結構設計和下降速度等）首次成功制備出直徑達12mm、厘米級長度的大尺寸塊體單晶（圖1a）。掃描透射電鏡（圖1b）和勞厄相機（圖1c）測試結果表明Bridgman法制備所得晶體具有優良的單晶性和均勻性。光學二次諧波産生測試（SHG，圖1d）進一步揭示了Bridgman法生長應力的分布和影響。Bridgman法所得LiInP₂Se₆單晶對熱中子具有魯棒的輻射探測響應（圖2c），顯示其作為實用化固态中子探測器的潛力，此外通過alpha粒子轟擊實驗證實了單晶良好的耐輻照能力。對比CVT和Bridgman法所得單晶的alpha粒子響應數據可知（圖2a、b），目前在探測性能方面CVT法所得單晶質量更優。缺陷的存在和種類會影響載流子信息收集，最終反映為對中子探測性能的影響。進一步的實驗和理論計算結果表明Bridgman法對應的晶體生長環境更傾向于硒的缺失和铟的過量，易形成V_Se⁰和In_Li²⁺兩種更深能級的缺陷（圖2d）。缺陷能級越深，對載流子産生束縛作用越強，不利于載流子遷移，從而影響探測性能，缺陷機制的研究為進一步優化Bridgman單晶質量提供了重要依據。該工作開發了一種具有可控的、可放大性的LiInP₂Se₆塊體單晶制備路線，進一步厘清了其晶體結構、電學性能和缺陷機制的關聯，并驗證了原型LiInP₂Se₆單晶探測器的實用化中子探測能力，從而對直接型中子探測材料及器件的研究進程作出重要推動。

圖1.Bridgman法制備所得大尺寸LiInP₂Se₆單晶的結構特征

圖2.LiInP₂Se₆單晶的輻射響應和缺陷機制

相關成果以“塊體LiInP₂Se₆單晶魯棒的熱中子探測性能”（Robust thermal neutron detection by LiInP₂Se₆ bulk single crystals）為題，近日在線發表于國際著名期刊《先進材料》（Advanced Materials）上。所開發的晶體制備工藝路線此前已獲得中國發明專利授權。

beat3652020級博士生杜子婉、工程物理系2020級博士生賴雨軒為論文的共同第一作者，beat365李千副教授、李敬鋒教授、工程物理系楊祎罡教授、華東師範大學吳宇甯研究員為論文的通訊作者，論文的其他重要合作者還包括北京大學物理學院技術物理系付恩剛教授、澳大利亞國立大學化學研究院劉芸教授、beat365劉锴副教授、國家納米科學中心鄭強研究員等。研究得到國家自然科學基金基礎科學中心項目、面上項目、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金以及beat365交叉創新專項等的資助。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1002/adma.202212213