Graphene integrated with semiconductor devices for high performance radiation detection

Stråling, både i form av elektromagnetiske bølger og sub-atomære partikler, kan spille en avgjørende rolle for mennesker og andre levende organismer. På den ene siden kan utilsiktet eller ubevisst eksponering være skadelig eller til og med dødelig. På den andre siden kan stråling brukes til å diagnostisere eller behandle sykdommer ved kontrollert eksponering. Strålingsdetektorer, som brukes til å detektere, kvantifisere og identifisere stråling, er derfor et viktig redskap innen medisin, miljøvern, vitenskap og teknologi. Selv om det allerede eksisterer mange ulike strålingsdetektorer, er det fremdeles et behov for nye, innovative løsninger med bedre ytelse og funksjonalitet. " Graphene integrated with semiconductor devices for high performance radiation detection " (Graphén integrert med halvlederenheter for strålingsdeteksjon med høy ytelse, GraSeRaD) var et ambisiøst og vellykket prosjekt som hadde som mål å utnytte grafens høye mobilitet for utvikling av strålingssensorer. Prosjektet var en felles innsats mellom UiO, NTNU og SINTEF og samlet materialforskere, fysikere og elektroingeniører. Forskerne fokuserte på to hovedforskningsemner: utvikling av røntgendetektorer og veksten av grafén på halvlederflater. For å utvikle røntgendetektorer ble strålingshardheten til grafén til gamma og protonbestråling undersøkt. Ekte røntgendetektorer ble fabrikkert og deres respons på røntgenstråler karakterisert. Grafén ble dyrket på metalliske overflater og deretter på halvlederoverflater, noe som unngår behovet for overføringsprosesser som forurenser og reduserer grafénens kvalitet. GraSeRaD gjorde det mulig for forskningsgruppen å utvikle betydelig kompetanse i grafénvekst og materialkarakterisering, grafénsensorfabrikasjon, grafénoverføringsteknikker og sensorkarakterisering. Prosjektet bidro også til å fremme samarbeid med verdens ledende grupper rundt om i verden, inkludert Japan, Kina, Australia, Tyskland, Danmark, Sverige, Storbritannia og USA.

GraSerad has led to the following outcome based on the project results Developed know how in the fabrication of high-performance graphene and 2-D material based transistors based on world leading encapsulation and fabrication techniques at Nanolab facilities (Minalab and Nanolab). Specific competence in the characterization of graphene transistors and their subsequent use as x-ray detectors Know how on the growth techniques of graphene on semiconductor surfaces Collaboration with synchrotron facilities around the world including Astrid Aarhus, Synchrotron Light Research Institute Thailand, MAX IV Sweden, Australian Synchrotron, Melbourne and Bessy II Berlin. The project has also led to a deep scientific collaboration with Kansas State University, Sandia National Laboratories and Nanjing University with the exchange of samples and scientists over the project period.

This research project pursues an innovative approach to radiation detection by integrating graphene with semiconductor devices and exploiting some exceptional electronic properties of graphene such as super-high carrier mobility and ultra-high sensitivity of graphene's conductivity to even tiny changes in local charge or electric field. This novel detection concept can lead to excellent radiation detection performance such as very high energy resolution, ultra-high detection speed, and low operation voltage, providing unique solutions to many limitations of the existing detector technologies. The findings of the project will potentially have a great impact in applications including, but not limited to, environmental monitoring, waste management, medical imaging and hadron therapy. There are a number of challenges associated with the realization of graphene-based radiation detectors such as i) growth of high quality large area graphene films ii) scalable integration of graphene with different semiconductor materials/devices, iii) characterization and optimization of the graphene to semiconductor interface to ensure optimal conditions for radiation sensing, iv) sensor design and fabrication, and v) sensor operation, readout, and characterization of the signal. GraSeRaD will address all these challenges by bringing together people with required expertise from material science, condensed matter physics, radiation sensors, detector readout electronics, radiation physics, and potential end users from a variety of fields and by utilizing the existing advanced infrastructure and facilities in Norway.