半导体意外输出强响应信号，辐射探测迎来新可能

探测辐射是众多技术的核心环节，涵盖粒子加速器、科学仪器、医学成像以及安检筛查等领域。但现有探测器往往需要做出取舍：输出信号强则响应慢，响应快则信号弱。信号强度与响应速度之间的矛盾，会限制探测的精度。在一项全新研究中，斯坦福大学的研究人员联合美国能源部下属的SLAC国家加速器实验室搭建了一套独特实验装置，用于探测多种不同材料下的辐射信号。

实验结果出乎团队意料。研究人员不仅观测到强度远超预期的超快辐射信号，还发现材料内部电荷的表现形式和理论预判并不相同。该研究成果发表于《自然》期刊，既揭示了材料行为的全新认知，也为研发性能更优异的传感技术铺平道路。

利用兆电子伏特超快电子衍射（MeV‑UED）设备

电离辐射可以将原子中的电子剥离出来，它能够穿透物质深处，让我们得以看清材料内部以及人体组织的状态。

由于电离辐射无法直接测量，研究人员会转而检测它与物质相互作用产生的次级信号，比如光信号或者电信号。但这类次级信号普遍存在短板：要么信号强、生成速度慢，要么响应快、但信号本身微弱。

斯坦福大学放射学讲师、本论文通讯作者Diana Jeong，着手系统性研究不同种类材料在电离作用下产生的光信号强度。她希望通过弄懂这类光波信号，找到一套可以平衡各项性能的探测方案。

如今绝大多数辐射探测器都依赖闪烁体材料；这类材料可以吸收辐射，并将辐射转化为可见光。以PET扫描为例，会向患者体内注射少量放射性示踪剂。示踪剂发生衰变时，会释放出名为正电子的粒子，最终产生 γ 射线形式的辐射，闪烁晶体就会对该射线完成检测。

“辐射打到闪烁体上就会发光，”Jeong表示，“几十年来，这种发光一直是辐射探测的标准信号。但该发光信号需要时间逐步生成，于是我们就在想，电离发生的瞬间，会不会存在更早出现的光信号，能够用超快激光脉冲捕捉到。”

为验证该猜想，Jeong使用了SLAC直线加速器相干光源（LCLS）的兆电子伏特超快电子衍射（MeV‑UED）设备。这套装置是一台功能强大的 “电子相机”，依靠电子来研究原子与分子的动态变化。

本次实验中，Jeong并没有用电子给样品成像；而是向样品注入高能电子，再借助不同波长的激光捕捉样品随之产生的各类变化，充分发挥SLAC MeV‑UED装置独有的性能。

“通常我们用这套系统测量电子衍射，而本次实验完全反其道而行之。”SLAC科研人员、MeV‑UED激光科学负责人Patrick Kramer说道，“从另一个角度来说，这更像是一场显微实验。”

这些高能电子模拟出PET成像等应用里的电离过程，向样品内部注入能量。团队不去检测材料发出的辉光，而是用同步激光脉冲，探测电离发生之后材料立刻产生的光学响应。

为探究不同材料在这一超快时间尺度下的反应，Jeong及其合作者研究了II‑VI族半导体。这是一类应用广泛的半导体材料，被用于红外探测器、光伏太阳能电池等诸多电子器件。“半导体非常适合做这类概念验证实验，因为它可以把高能电子辐射转化为可测量的光学性质变化。”Tom Hopper说道，他是中佛罗里达大学化学助理教授，开展此项研究时，他还在SLAC担任博士后研究员。

重新理解材料的物理行为

实验取得成功：团队获取到强度可观的信号，观测到半导体内部发生的超快变化。但这些变化超出预期，让研究人员对该工况下的材料行为获得全新认知。

团队原本设想，电子产生的电荷会均匀分布在整个样品当中。可实际情况却是，被撞离原子的载流子，也就是电子‑空穴对，会大量聚集，形成局部高密度的电荷团。打个比方：如果把载流子比作巧克力，研究团队原本以为会得到一块均匀的布朗尼蛋糕，结果却得到了一块巧克力碎曲奇，巧克力只集中分布在碎粒位置。

“现象十分反常，” 她讲到，“电荷密度远远高于我们的计算结果。”这些高密度电荷团会改变材料的带隙 —— 也就是材料中不存在电子态的能量区间，进而改变半导体吸收、透射光线的特性。

“受高能电子带来的某种机制影响，材料带隙发生大幅偏移，这块半导体原本无法透光，现在却可以透过光线。”Hopper解释。

搞清楚高能电子如何作用于样品，以及如何借助高密度电荷团输出强信号，能够帮助科研人员研发新一代传感技术。

Jeong认为，该效应在低能量设备上同样能够复现，例如未来可以走进诊所的成像设备。这最终有望催生全新成像技术，实现疾病的实时监测与诊断。“我们希望借此开发出新的传感平台，可以即时生成图像，支撑实时干预诊疗。”