Cdznte là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về CdZnTe

CdZnTe, hay còn gọi là Cadmium Zinc Telluride (CZT), là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm vật liệu II-VI, được tạo thành từ cadmium (Cd), kẽm (Zn), và tellurium (Te). Đây là vật liệu có cấu trúc tinh thể hợp kim, trong đó một phần nguyên tử cadmium trong mạng tinh thể CdTe được thay thế bằng kẽm để điều chỉnh các tính chất vật lý và điện học theo nhu cầu ứng dụng. Tỷ lệ pha trộn Zn thường từ 0.1 đến 0.2 mol nhằm tối ưu hóa khoảng năng lượng cấm và độ ổn định.

CdZnTe nổi bật với khả năng phát hiện bức xạ ion hóa ở nhiệt độ phòng mà không cần làm lạnh, điều mà các vật liệu bán dẫn khác như germanium (Ge) không thể thực hiện do có khoảng năng lượng cấm hẹp. CZT có thể phát hiện chính xác tia gamma và tia X, với độ phân giải năng lượng cao và mức nhiễu nền thấp, phù hợp cho các ứng dụng trong y học hạt nhân, kiểm tra an ninh, giám sát phóng xạ môi trường và thiên văn học tia X.

Không giống như đầu dò NaI(Tl) sử dụng nguyên lý phát quang, CdZnTe là đầu dò bán dẫn trực tiếp, biến đổi năng lượng photon thành tín hiệu điện mà không cần bước trung gian. Điều này giúp tăng độ chính xác, giảm kích thước thiết bị và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Nhờ tính năng này, CZT đang ngày càng được ưu tiên lựa chọn thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao và tính di động.

Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý

CdZnTe có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu zinc blende (sphalerite), đồng dạng với CdTe. Khi một phần Cd²⁺ được thay thế bằng Zn²⁺, kích thước mạng tinh thể giảm nhẹ, đồng thời khoảng năng lượng cấm tăng từ khoảng 1.44 eV (CdTe) lên đến ~1.6 eV tùy vào hàm lượng Zn. Điều này cải thiện khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng và làm giảm dòng rò nền, giúp tăng chất lượng tín hiệu phát hiện.

Các tính chất vật lý tiêu biểu của CdZnTe được tóm tắt trong bảng sau:

Thông số	Giá trị điển hình	Đơn vị
Khoảng năng lượng cấm (Eg)	1.5 – 1.6	eV
Điện trở suất	1010 – 1011	Ω·cm
Linh động điện tử	1000	cm²/V·s
Tỷ lệ hấp thụ tia gamma (ở 100 keV)	Cao	-

Điện trở suất cao và khả năng ngăn chặn bức xạ tốt giúp CZT phát hiện photon năng lượng cao trong thiết bị nhỏ gọn. Ngoài ra, khoảng năng lượng cấm rộng giúp giảm hiện tượng tái tổ hợp nhiệt, nâng cao tỷ lệ thu nhận điện tích và cải thiện độ phân giải năng lượng của đầu dò.

Nguyên lý hoạt động của CdZnTe trong phát hiện bức xạ

Khi photon bức xạ ion hóa (gamma hoặc X) đi vào tinh thể CdZnTe, chúng sẽ tương tác với mạng tinh thể và tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống (electron-hole pairs). Số cặp sinh ra tỷ lệ với năng lượng của photon và ngược tỷ lệ với năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp, thường khoảng 4.6 eV đối với CZT.

Dưới tác dụng của điện trường ngoài áp dụng qua hai điện cực, các điện tử và lỗ trống sẽ bị tách ra và di chuyển về các điện cực tương ứng, tạo ra dòng điện tức thời. Cường độ dòng điện này phản ánh năng lượng của photon tới, từ đó có thể xây dựng phổ năng lượng của nguồn bức xạ.

Phép tính số cặp điện tử–lỗ trung bình được biểu diễn như sau:

$N = \frac{E_{\gamma}}{w}$

Với $E_{\gamma}$ là năng lượng photon tới (tính bằng eV hoặc keV), và $w$ là năng lượng trung bình để tạo ra một cặp electron-hole. Độ chính xác trong đo đạc phụ thuộc vào khả năng thu nhận hoàn toàn điện tích sinh ra và độ nhiễu nền của thiết bị.

Phương pháp chế tạo và xử lý tinh thể

CdZnTe được chế tạo thông qua các kỹ thuật tăng trưởng tinh thể từ pha nóng chảy như Bridgman, High Pressure Bridgman (HPB) hoặc Vertical Gradient Freeze (VGF). Trong đó, HPB là phương pháp phổ biến nhờ khả năng kiểm soát gradient nhiệt tốt, cho phép tăng trưởng tinh thể lớn và đồng nhất.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể bao gồm:

• Độ tinh khiết của nguyên liệu đầu vào
• Tỷ lệ Zn phù hợp (thường 0.1–0.2 mol) để tránh pha phụ
• Quá trình làm nguội chậm, tránh tạo ứng suất nhiệt gây nứt vi mô

Sau khi tăng trưởng, tinh thể sẽ được cắt, đánh bóng và xử lý bề mặt trước khi phủ điện cực. Việc lựa chọn vật liệu điện cực (như Au, Pt hoặc In) và phương pháp tiếp xúc (ohmic hay Schottky) sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động và độ ổn định lâu dài của đầu dò. Ngoài ra, một số nghiên cứu sử dụng màng passivation để giảm dòng rò và tăng độ bền bề mặt.

Ứng dụng trong y học hạt nhân và thiết bị phổ

CdZnTe (CZT) đã trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong nhiều hệ thống chẩn đoán hình ảnh y học hiện đại nhờ khả năng phát hiện bức xạ với độ phân giải năng lượng cao và vận hành ở nhiệt độ phòng. Trong các thiết bị như gamma camera, SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) và PET (Positron Emission Tomography), các đầu dò CZT được sử dụng để phát hiện photon gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ, giúp tái tạo hình ảnh mô cơ thể và đánh giá chức năng sinh học.

So với các đầu dò truyền thống như NaI(Tl), CZT cho độ phân giải năng lượng tốt hơn gấp 2–3 lần, giảm nhiễu chéo năng lượng và cho phép phân biệt chính xác các đồng vị phóng xạ khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng trong các kỹ thuật đa năng lượng, nơi nhiều đồng vị được sử dụng đồng thời. Bên cạnh đó, thiết bị sử dụng CZT có thể miniatur hóa, hoạt động ổn định hơn và không cần hệ thống làm lạnh bằng nitơ lỏng, giúp giảm chi phí bảo trì.

Các nhà sản xuất như Kromek Group và Mirion Technologies đã thương mại hóa nhiều dòng cảm biến CZT dành cho y tế, từ thiết bị cầm tay đến hệ thống chẩn đoán cố định. Ngoài ra, trong lĩnh vực phổ kế bức xạ (gamma spectroscopy), CZT giúp nhận diện chính xác đồng vị uranium, cesium hoặc cobalt – những yếu tố quan trọng trong giám sát an toàn hạt nhân và kiểm soát phóng xạ môi trường.

Vai trò trong công nghiệp và vũ trụ

CdZnTe có khả năng hấp thụ bức xạ mạnh, kích thước nhỏ gọn và độ ổn định cao, nên được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, an ninh và khoa học vũ trụ. Trong công nghiệp, CZT được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing – NDT), đo mật độ vật liệu, kiểm tra mối hàn và giám sát mức phóng xạ trong các quy trình sản xuất. Thiết bị CZT di động có thể phát hiện nguồn phóng xạ nguy hiểm trong môi trường hoặc container hàng hóa mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, CZT đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống phát hiện vật liệu hạt nhân, giúp xác định loại đồng vị phát xạ gamma đặc trưng. CZT cũng được ứng dụng trong các thiết bị cá nhân (Personal Radiation Detector – PRD) cho lực lượng cứu hộ hoặc biên phòng.

Trong khoa học vũ trụ, NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã sử dụng đầu dò CdZnTe trong các nhiệm vụ nghiên cứu tia X và gamma vũ trụ. Ví dụ, vệ tinh SWIFT của NASA và INTEGRAL của ESA đều tích hợp đầu dò CZT trong hệ thống quan sát thiên thể năng lượng cao. Nhờ đặc tính hoạt động ổn định và khả năng phát hiện năng lượng rộng, CZT đã giúp mở rộng hiểu biết về các vụ nổ tia gamma (Gamma-Ray Bursts – GRB) và hiện tượng vật lý thiên văn cực trị.

Ưu điểm và hạn chế

CdZnTe mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu đầu dò khác, đặc biệt trong ứng dụng phát hiện bức xạ năng lượng cao. Những ưu điểm chính bao gồm:

• Hoạt động ở nhiệt độ phòng, không cần hệ thống làm lạnh
• Độ phân giải năng lượng cao, giúp phân biệt chính xác phổ năng lượng
• Kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, dễ tích hợp vào thiết bị di động
• Khả năng hấp thụ tia gamma mạnh nhờ mật độ nguyên tử cao
• Độ ổn định lâu dài, tuổi thọ thiết bị cao

Tuy nhiên, CdZnTe cũng tồn tại một số hạn chế khiến chi phí sản xuất và triển khai còn cao:

• Khó tăng trưởng tinh thể có kích thước lớn và đồng nhất
• Dễ xuất hiện khuyết tật mạng (dislocations) và bẫy điện tích, gây suy giảm tín hiệu
• Giá thành sản xuất cao do quy trình kiểm soát nhiệt độ và áp suất nghiêm ngặt
• Hiệu suất giảm khi kích thước đầu dò tăng, do giới hạn khuếch tán điện tích

Bảng sau minh họa so sánh một số đặc tính kỹ thuật giữa các vật liệu đầu dò phổ biến:

Vật liệu	Khoảng năng lượng cấm (eV)	Nhiệt độ hoạt động	Độ phân giải năng lượng	Yêu cầu làm lạnh
NaI(Tl)	5.9	Phòng	Thấp	Không
HPGe	0.67	-196°C	Rất cao	Có
CdZnTe	1.5–1.6	Phòng	Cao	Không

Hướng phát triển và nghiên cứu tương lai

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào cải thiện chất lượng tinh thể và mở rộng ứng dụng của CdZnTe trong nhiều lĩnh vực. Một hướng quan trọng là phát triển kỹ thuật tăng trưởng tinh thể tiên tiến như Traveling Heater Method (THM) hoặc Vertical Bridgman cải tiến, nhằm giảm khuyết tật và tăng kích thước tinh thể có chất lượng quang điện cao.

Bên cạnh đó, các nhóm nghiên cứu đang tập trung tối ưu hóa cấu trúc điện cực và cải thiện quá trình thu nhận điện tích bằng cách áp dụng các lớp giao diện Schottky và màng passivation. Việc tích hợp CdZnTe với mạch đọc tín hiệu ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) giúp giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác và mở đường cho đầu dò thông minh.

Các ứng dụng mới nổi của CdZnTe bao gồm thiết bị ảnh gamma phân giải không gian cao (gamma imaging array), cảm biến năng lượng đa phổ (multispectral detectors) và cảm biến y sinh học. Ngoài ra, CdZnTe còn được nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu lượng tử và bán dẫn lai, mở ra khả năng ứng dụng trong quang điện tử và cảm biến nano trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. Del Sordo, S. et al. (2009). "Progress in the development of CdTe and CdZnTe semiconductor radiation detectors for astrophysical and medical applications." Sensors. https://doi.org/10.3390/s91003491
2. Zhang, F. et al. (2012). "Characterization of pixelated CZT detectors for gamma-ray imaging and spectroscopy." IEEE Transactions on Nuclear Science. https://doi.org/10.1109/TNS.2012.2212915
3. NASA Goddard Space Flight Center. "SWIFT Mission Overview." https://swift.gsfc.nasa.gov/
4. Mirion Technologies. "CZT Semiconductor Detectors." https://www.mirion.com/products/czt-semiconductor-detectors
5. Kromek Group. "CZT Radiation Detection Products." https://www.kromek.com/products/czt-radiation-detectors/