金刚石在传感探测领域的研究进展

卢 超 ,刘 杰 ,王小炼 ,孔清泉 ,安旭光

(1.成都大学 机械工程学院,四川 成都 610106;2.杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018)

近些年来,碳纳米管、石墨烯、金刚石膜等先进碳基材料以及与之相关的MEMS(微机电系统)和NEMS(纳机电系统)技术发展迅速,为体积小、质量轻、集成度高、感知灵敏度和分辨率优异、使用寿命长的传感探测装置的应用奠定了基础。其中,金刚石薄膜半导体探测器具有暗电流小、时间响应快、禁带宽度大(5.5 eV)、载流子迁移率高(电子迁移速率4200 cm2/(V·s);空穴迁移速率3800 cm2/(V·s))、电阻率极高(>1011Ω·cm)、介电常数低(5.7)、击穿电压大(10 MV/cm)、热导率高(20 W/(cm·K),是铜的5 倍)等优异特性[1-2]。其信噪比高,对可见光几乎零响应,电荷收集效率比硅探测器快4 倍,可在室温至较高温度(约600 ℃)环境中正常工作,且无需外加冷却系统,极大减小了探测器的质量与体积。尤为重要的是,金刚石薄膜具有优良的化学稳定性、耐辐照特性和抗辐照干扰能力[3],能在极端恶劣的强辐射环境中正常工作,被认为是一种理想的半导体传感探测器材料。

20 世纪80 年代初,苏联科研人员在单晶金刚石衬底上生长出单晶金刚石薄膜,这种新兴的金刚石薄膜同质外延生长技术使得高质量单晶金刚石薄膜的人工制备成为可能。1982 年,日本的Matsumoto 等[4]于低压气相条件下采用热丝化学气相沉积(CVD)技术在硅、钼等异质单晶衬底上合成出质量较好的连续多晶金刚石薄膜,其生长速度达到每小时数微米,性能接近天然金刚石。除了上述制备方法,还出现了微波等离子体CVD、直流等离子体CVD、燃烧火焰CVD 以及直流电弧等离子体喷射CVD 等金刚石膜合成技术[5]。随着金刚石薄膜制备及加工技术的不断发展,其商业化应用水平日渐提高,基于CVD 金刚石薄膜的新型传感探测器及其相关应用获得了极大关注。

本文综述了基于金刚石薄膜的传感探测装置对气体(如O2、H2、CO、H2S、NH3等)、高能粒子(如α粒子、质子、中子等)、高能射线(如X 射线、γ 射线等)、紫外线、磁场等进行感应探测的应用研究进展,并阐述了金刚石薄膜传感探测技术的未来发展方向与趋势。

1 金刚石薄膜传感探测器的研究现状

1.1 气体传感

由于硅、砷化镓等窄带隙半导体器件无法在200℃以上高温环境中长期工作,限制了它们在高温有毒气体探测领域的应用。随着等离子体CVD 技术的快速发展,具有宽带隙、可在高温(>650 ℃)条件下长时间稳定运行的金刚石薄膜成为了高温气体探测与感知的最佳候选材料之一,其最早用于半导体生产过程中所释放有毒气体如PH3、B2H6、AsH3、GeH4和SiH4的感应探测。1994 年,美国范德比尔特大学的Kang等[6]首次开发出基于金属Pd/本征金刚石(i-金刚石)/p-金刚石构型的氢气传感器,由此引发了金刚石薄膜在气体传感领域的研究热潮。这种金刚石薄膜气体传感器以i-金刚石膜为绝缘层,p-金刚石膜作为半导体层和气体吸附的敏感材料,在金属Pd 电极的催化作用下,吸附气体与p-金刚石膜表面发生电子交换,使金刚石膜表面电阻及电流发生改变,从而实现对特定气体的选择性定量检测。

早在1998 年,Gurbuz 等[7]就已设计出催化剂/吸附性氧化物/绝缘体/半导体构型的Pt/SnOx/i-金刚石/p-金刚石结构的金刚石基气体传感器,可在数秒响应时间内探测出微量O2和CO 气体;随后,该研究小组[8]研制出尺寸小、工作温度范围宽、灵敏性佳、响应及恢复速度快的Pd/i-金刚石/p-金刚石构型的气体传感器,可对苯、甲苯气体实施有效探测,其结构如图1 所示。Joshi 等[9]采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂金刚石薄膜,当金刚石薄膜晶粒尺寸为1 μm 时,其对空气中浓度为1000 ppm 的CO 气体响应时间和恢复时间分别仅为5 s 和20 s,由CO 在硼掺杂p-金刚石膜表面氧化以作为电子供体来实现探测。纳米晶金刚石薄膜表面形成的金刚石纳米针阵列具有高的比表面积和特殊的纳米尖端效应,对还原性NH3和氧化性NO2气体具有良好的气敏性[10]。研究发现[11],氢化金刚石膜可通过表面电导率变化来实现低浓度H2S 气体的有效探测。Saravanan 等[12]设计出超细晶金刚石/二硫化钼/氧化锌纳米棒复合材料,利用存在的有效氧空位缺陷以及多种异质结界面来促进电子传输,这种结构的传感器具有优良的气敏特性,对H2的探测灵敏度高达70.6%,且其响应时间快、气体选择性佳。

图1 金刚石基气体传感器的结构示意图Fig.1 Schematic of diamond-based gas sensor

1.2 辐射探测

国际上早已有金刚石材料在辐射探测领域应用的相关报道。20 世纪40 年代,贝尔电话实验室的研究人员利用天然金刚石探测器观察到了由α 粒子产生的脉冲电流现象[13],引起了世界各国的瞩目。20 世纪50-80 年代,由于人工合成大尺寸单晶金刚石技术的限制,探测器主要采用天然金刚石材料,然而天然金刚石的稀缺昂贵使得其应用受限,因此低成本金刚石薄膜的人工合成及其在探测器中的应用成为关键。到了20 世纪90 年代,CVD 金刚石开始在紫外线传感器、高能粒子探测器中得到应用。自1994 年起,由欧洲核子研究中心(CERN)成立的RD42 研发小组在大型强子对撞机(LHC)上进行CVD 金刚石膜探测器的研究并取得了重大进展,正式拉开了金刚石在辐射探测领域应用的序幕。国内较早从事金刚石薄膜在辐射探测领域应用的研究单位主要有上海大学、西北核技术研究所、清华大学和北京科技大学等。

衡量金刚石薄膜辐射探测器性能的关键指标主要有暗电流、电荷收集效率等。其中,暗电流反映探测器在无外部辐照情况下自身漏电流的大小,其主要由金刚石内部的杂质及缺陷浓度决定,杂质及缺陷越少,暗电流越小,探测器噪声也越小。电荷收集效率则关乎探测器对辐射响应的灵敏度和对辐射强度的绝对测量精度,金刚石膜的缺陷和杂质含量越低,载流子的陷阱或俘获中心越少,载流子的寿命越长,探测器的电荷收集效率越高。

基于金刚石薄膜的带电粒子(如α 粒子、质子)或射线(如X 射线、γ 射线)辐射探测器的结构如图2 所示。金刚石薄膜的两面分别镀上金属电极,当高能量粒子或射线透过金刚石薄膜时,可与金刚石发生作用使其产生电离激发,金刚石中产生的正负电子-空穴对载流子在外加电场作用下向探测器的两电极漂移,从而被收集而产生电流脉冲信号,电流信号经放大后被检测到。

图2 带电粒子或射线辐射金刚石探测器结构Fig.2 Diamond detector for charged particle or ray

与带电粒子不同,对中性粒子(如中子)的探测则需在金刚石电极上镀一层中子转换层(结构如图3 所示),常用的中子转换层物质为10B 和6LiF,中性粒子先在转换层中激发出次级带电粒子,次级带电粒子再与金刚石作用产生电子-空穴对,从而实现对中性粒子的探测。

图3 中性粒子金刚石探测器结构Fig.3 Diamond detector for neutron particle

1.2.1 α 粒子探测

金刚石探测器对带电粒子的电荷收集效率高,其在粒子探测领域中最典型的应用是对辐射能量约为5.5 MeV 的α 粒子进行有效探测。Tsubouchi 等[14]结合微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)均质外延技术和离子注入剥离法快速制备出N 掺杂(001)晶面取向的单晶金刚石膜,该金刚石探测器可对241Am 源5.486 MeV 的α 粒子进行探测时,其空穴传输的电荷收集效率高达98%,电子传输的电荷收集效率达到89%。Schirru 等[15]采用CVD 法制备的90 μm 厚单晶金刚石膜在室温下可作为210Po 源5.4 MeV 的α 粒子的探测器,其对α 粒子的能量分辨率为1.2%,电荷收集效率高达100%。由Diamond Detectors LTD 公司制造的50 μm 厚单晶CVD 金刚石探测器(见图4(a))漏电流小至pA 级,可在高温、高光照度环境中对5.5 MeV 的241Am 源α 粒子进行探测,可达到与300 μm 厚平面硅探测器相同的探测效果[16]。Zhang 等[17]先采用MPCVD 法制备(111)晶面取向的多晶金刚石膜,并以RGO(还原氧化石墨烯)/Au 作为电极,该电极的接触阻抗(6.6 Ω·cm-2)比Ti/Pt/Au 电极的接触阻抗(97.4 Ω·cm-2)低得多,其对α 粒子的能量分辨率达到11.9%。这种基于金刚石膜/RGO/Au 结构的α 粒子探测器的剖面结构如图4(b)所示。

图4 (a) CVD 单晶金刚石探测器[16];(b) RGO/Au 电极的CVD 金刚石膜探测器的剖面示意图[17]Fig.4 (a)Single-crystal CVD diamond detector[16];(b) Schematic of a CVD diamond film detector with RGO/Au electrode[17]

1.2.2 质子探测

质子对金刚石进行辐照时,能量越高的质子其运动速度越快,其与金刚石的作用截面越小,所造成的损伤也越小,故金刚石在高剂量质子探测领域具有优良的应用前景。Forcolin 等[18]将单晶电子级金刚石安装在印刷电路板上制作成尺寸为4.7 mm×4.7 mm×0.5 mm 的三维金刚石探测器(见图5(a)),该探测器由4 个600 μm× 600 μm 的阵列组成(见图5(b)),对4 MeV 质子微束进行探测时其电荷收集效率接近100%,并首次获得了质子的空间分辨瞬态电流。基于CVD 单晶金刚石的质子探测器还可对眼疾治疗质子束(62 MeV)的放射剂量进行精准测定[19]。将金纳米颗粒沉积在硼掺杂金刚石表面进行修饰改性后,该金刚石器件对质子探测具有高敏感度、快速响应性、低检出限、宽电压范围、优良可重复性等特征[20]。单晶金刚石探测器的抗质子辐照性优良,当质子能量为100 MeV、质子通量高达1.6×1017protons/cm2时,金刚石探测器的残余信号在辐射结束时仍保留初始通量值的5%,在1 μA 质子流的辐照下,金刚石探测器的最大响应电流超过1 mA[21]。研究还发现[22],CVD 单晶金刚石对不同能量级的质子表现出不同的抗辐照性能,对于100 MeV～1 GeV 能量范围内的质子具有优良的抗辐射性,在低能量级(4.5 MeV)的质子环境中其抗辐射性则会有所降低。

图5 (a)三维金刚石质子探测器及(b)其中的A 阵列[18]Fig.5 (a) 3D diamond proton detector and (b) array A in 3D diamond proton detector[18]

1.2.3 X 射线探测

在X 射线辐照条件下,金刚石可被电离激发出大量的载流子,基于金刚石薄膜的X 射线探测器具有灵敏度高、响应快、动态范围宽、击穿电压高、抗辐照能力强等优良特性。CVD 单晶金刚石可用于0.8～8 keV 能量范围内的软X 射线探测,已被安装于欧洲JET 托卡马克装置上用作软X 射线探测仪,且其运行可靠性优良[23]。侯立飞等[24]制作出金属/半导体/金属结构的CVD 金刚石软X 射线探测器,并在神光III 激光聚变装置中成功获得X 射线能流的时间波形,探测器系统的前沿响应时间可达60 ps,实现了探测器系统在软X 射线能谱测量中的初步应用。以TiN 膜为电极的B 掺杂同质外延CVD 金刚石薄膜探测器对0.5～1.2 keV 的软X 射线有着高探测灵敏度,探测器信号电流随着外加电压的增加而增大,在60 V 电压时对1.2 keV 光子的表观量子效率高达2.5×103[25]。刘林月等[26]研制的CVD 金刚石薄膜探测器在800 V 偏压下的暗电流小于50 pA,对X 射线(6～22 keV)的灵敏度达到10-4～10-2A·W-1,电荷收集效率为39%,对亚纳秒脉冲X 射线的响应上升时间为2～3 ns。Makita等[27]采用电子光刻技术将10 μm 厚的金刚石薄膜加工成透射型衍射光栅(光栅间隔为40 nm～4 μm),可以对同步回旋加速器中6～18 keV 的硬X 射线进行高效检测。Liu 等[28]制作出基于单晶金刚石和多晶CVD 金刚石的两种X 射线探器(结构如图6(a)～(c)所示),研究发现,与单晶金刚石相比,具有大面积、低成本及高性能等优势的多晶CVD 金刚石在快脉冲X 射线(100 keV)探测领域的应用前景更加广泛。Ade[29]研究了CVD 金刚石探测器中杂质与缺陷浓度对X 射线探测灵敏度的影响,结果表明,N 杂质浓度增加会降低探测器的灵敏度,而缺陷浓度增加则可引入更多的陷阱能级,从而对金刚石探测器的灵敏度有提升作用。

图6 (a) 多晶金刚石X 射线探测器[28];(b) 单晶金刚石X 射线探测器[28];(c) X 射线探测器的结构[28]Fig.6 (a) Polycrystalline diamond X-ray detector[28];(b) Single-crystal diamond X-ray detector[28];(c) Schematic of X-ray detector[28]

1.2.4 γ 射线探测

γ 射线辐照时主要与物质的核外电子发生作用,很难引起晶格原子的位移,故金刚石半导体探测器具有极强的抗辐照性能,可应用于高剂量γ 射线辐射环境中。欧阳晓平小组[30]研究了CVD 金刚石薄膜探测器在60Co 稳态辐射源γ 射线(1.25 MeV)中的抗辐射性能,结果表明:由于γ 射线与金刚石作用产生的电子可填补缺陷,探测器的电荷收集效率随γ 射线辐照剂量的增加而略有提升,当γ 射线累积照射量为10.32 C/kg 时,其增幅小于0.7%。Sato 等[31]采用微波等离子体CVD 法制备出高质量的同质外延自支撑单晶金刚石薄膜,在该CVD 单晶金刚石膜的两面分别沉积一层500 μm 厚的Au 金属膜后,金刚石探测器对137Cs 源662 keV 的高能γ 射线探测灵敏度提高了3 倍多,其原因是γ 射线更容易在重元素Au 金属膜中产生二次粒子(光子或电子),二次粒子在金刚石中激发出的电子-空穴对载流子可有效改善其探测效率。Lei 等[32]则研究了多晶CVD 金刚石薄膜(厚度300 μm)表面蒸镀0.05 μm 厚Au 金属层的探测器在60Co 源γ 射线辐射下的探测性能,研究表明该金刚石辐射探测器在γ 射线作用下可产生激发效应,且沿着金刚石的生长面照射可获得更高的电荷收集效率,在600 V 的饱和电压下能将γ 射线的电荷收集效率显著提高13%,这种效应能够在金刚石探测器受辐射后维持40 min。2017年,Williams 等[33]在500 μm 厚的单晶金刚石表面镀覆Au-Pt-Ti 电极,这种金刚石薄膜探测器被首次用来探测高强度γ 射线束(2～7 MeV),有望用于γ 射线的光子通量、位置与偏振信息的精密测量。

1.2.5 中子探测

不带电荷的中子无法使金刚石发生电离,传统的方法难以探测中子,在金刚石表面构筑中子转换介质层,利用中性粒子与介质的相互作用产生带电粒子,通过对该次级带电粒子的探测最终可实现金刚石薄膜对中子的探测。欧洲原子能共同体组织的Pillon 等[34]将2 μm 厚的6LiF 层覆盖在CVD 金刚石表面构成锂-金刚石型中子探测器,利用6Li 作为中子向带电粒子转化的转换器,可以对热中子的产量进行稳定可靠的检测;随后,该研究小组发现[35],这种6LiF-单晶金刚石探测器可对低能量热中子和10 MeV 能量以下的快中子进行同时监控探测。Amosov 等[36]通过实验和理论计算验证发现,0.354 mm 厚的金刚石片可用作0.3～10.7 MeV 的241Am-Be 源快中子的探测器,该探测器在受到不同能级中子辐照时的响应特性如图7(a)所示。Osipenko 等[37]将两块50 μm 厚的单晶CVD 金刚石叠加后作为14 MeV 快中子的探测器,其检测效率高于单块金刚石膜,在3 mm ×3 mm 的区域内检测灵敏度达到5×10-7counts cm2/n。Bolshakov 等[38]采用离子注入法在单晶金刚石基底与10 μm 厚外延CVD 金刚石薄膜之间构建8～12 μm 厚的石墨层电极(见图7(b)),可以实现对252Cf 源慢中子的有效探测;Holmes小组[39]在磷掺杂CVD 金刚石PN 结夹层中间插入4.5 μm 厚的金刚石本征层,构建的金刚石PIN 二极管可在低工作电压下对慢中子进行探测;该小组还发现,表面沉积有BN 中子转换层(厚度为0.5 μm)的<110>取向金刚石PIN 二极管可对中子通量率为4.4×106n/(cm2·s)的热中子实现有效探测[40]。在CVD 金刚石膜表面覆上100 nm 厚的Ag 电极层制作成的探测器可以探测快中子,覆上5 μm 厚的Gd 电极层则可以同时探测热中子和快中子[41]。

图7 (a) 金刚石基中子探测器的辐照响应特性[36];(b)单晶金刚石/石墨层电极/外延CVD 金刚石膜结构的中子探测器结构示意图[38]Fig.7 (a) Radiation response of diamond-based neutron detector[36];(b) Schematic of neutron detector with single crystal diamond/graphite layer electrode/epitaxial CVD diamond film structure[38]

1.2.6 紫外探测

紫外探测技术在通讯、导弹预警与跟踪、天文观测、气象预报、火灾预警、生物医学等领域有着巨大应用潜力,是一种重要的军民两用光电探测技术。由于金刚石对可见光几乎零响应,具有“太阳盲区”特性,基于金刚石薄膜的紫外探测器具有紫外敏感性好、分辨率高、噪声低、灵敏度高、稳定性佳等特性,是硅基紫外探测器的优良替代品。Ciancaglioni 等[42]采用微波CVD 法制备出74 μm 厚的金刚石膜,并利用光刻技术将蒸镀于金刚石膜上、下两表面的Cr 或Ag 层加工成8 条微小带状体,由此构成的金属/金刚石/金属结构的探测器可对波长193 nm 的深紫外线进行感应成像;器件结构为高温高压(HPHT)人工金刚石衬底/B 元素掺杂p 型CVD 金刚石/本征CVD 金刚石/Pt 金属电极的CVD 单晶金刚石探测器(结构如图8 所示)被安装在欧洲JET 托卡马克装置中进行实验,该探测器在极端环境中具有优良的抗辐照特性,在无需外部电压的情况下即可对极紫外光进行快速响应探测[23];Periale 等[43]将单晶CVD 金刚石探测器与大体积双相冷冻液氩/液氙探测系统进行光耦合联用,比当前所用紫外光传感器有着更高的光敏性和信噪比。Liu 等[44]在单晶CVD 金刚石膜上刻蚀10 μm 深的叉指形凹槽,并在凹槽上镀上Ti/Au 金属电极,这种三维金属电极结构的金刚石紫外探测器可获得较高的光生载流子收集效率,对220～280 nm 紫外光的响应灵敏度比传统的平板结构探测器要高出50%。

图8 金刚石基极紫外光探测器的结构示意图[23]Fig.8 Schematic of diamond-based UV detector[23]

1.3 弱磁探测

当面心立方金刚石晶格中的一个碳原子被一个氮原子取代且其近邻位置有一个晶格空位时,就形成一种具有荧光特性的NV(氮空位)色心缺陷(如图9 所示[45]),这种对空间矢量敏感的色心存在电子自旋特性,在静磁场方向(平行于NV 轴)和极化电磁场方向(垂直于NV 轴平面)可对NV 色心的荧光特性产生影响,因而具有电场、磁场、温度和应力等特性,利用其磁特性可对静态、低频弱磁场进行有效探测[46],基于NV 色心的金刚石磁力探测仪对磁场的感应灵敏度与NV 色心数的平方根成正比关系,增加NV 色心浓度可提高其探测灵敏度[47]。

图9 金刚石中NV 色心的结构图[45]Fig.9 Structure of NV color center in diamond[45]

Maze 等[48]通过对纳米晶(直径为30 nm)金刚石中NV 色心的单电子自旋量子位进行相干调控,实现了室温条件下灵敏度为0.5 μT·Hz-1/2的弱磁场精准探测。李路思等[45]对金刚石NV 色心电子自旋在外磁场下的退相干过程进行模拟,确定了退相干特征时间与外磁场大小的高灵敏度关系,提出了一种基于量子相干系统精确测量静态弱磁场的方法,其对静态弱磁场的探测灵敏度可达60 nT·Hz-1/2。Gao 等[49]通过对金刚石NV 色心的微波频率进行调制来降低测量系统中的低频噪音干扰,改善了其磁检测灵敏度,可实现高分辨率、高灵敏度(可达17.628 nT·Hz-1/2)的磁场探测。Stürner 等[50]设计出基于金刚石NV 色心的低功耗(1.5 W)、小型化(2.9 cm3)、集成化的磁传感器设备(如图10(a)所示),其最小可探测磁场约为1 μT,探测灵敏度可达31 nT·Hz-1/2,在磁探测领域具有良好的应用前景。

将单晶金刚石与磁性材料集成所得的SCD MEMS(单晶金刚石微机电系统)谐振器也是一种优良的磁性传感器。Zhang 等[51]将具有巨磁致伸缩系数及超高居里温度的软磁性FeGa 纳米薄膜集成在单晶金刚石表面,利用该薄膜在磁场中的磁致伸缩应变来输出信号并实现磁感应,其具体磁感应机理如图10(b)所示。该集成器件具有磁感应灵敏度高、磁感应范围宽、工作温度高的特性,可应用于严苛环境中,其最小可探测磁场低至1.42×10-10T。随后,该研究小组[52]通过对单晶金刚石表面的FeGa 纳米薄膜进行B 元素掺杂,所得无定形FeGaB 膜与SCD MEMS 谐振器之间具有强耦合作用,促使FeGaB/SCD 基MEMS 磁传感器的性能得到明显改善,其磁场灵敏度达到未掺杂器件的四倍以上,可满足超高灵敏度、低噪声、高可靠性的磁探测应用场景需求。

图10 (a) 金刚石NV 色心磁力传感器[50];(b) FeGa 薄膜/单晶金刚石集成磁传感器[51]Fig.10 (a) Diamond NV color center magnetic sensor[50];(b) Integrated magnetic sensor of FeGa film/single crystal diamond[51]

2 结论与展望

金刚石作为应用前景广阔的新一代传感探测材料,凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电压、耐辐照损伤、抗化学腐蚀等优良的物理化学特性,可在高温、高压、强辐射环境中稳定运行,其使用寿命长,易于实现探测传感装置的小型化、轻量化与集成化,是传统硅基探测器的理想替代品。近年来,具有可见光日盲性的金刚石薄膜探测器成为了日盲紫外探测的首选,其在国防、军事、民用等领域有着极其广泛的应用前景与需求,将成为传感探测领域的研究热点。金刚石薄膜探测传感材料及其相关技术的基础研究与应用,有助于推动我国在电子信息、航空航天、生物医学、武器装备等重要领域的技术发展,可产生巨大的经济、社会效益。

当前,金刚石薄膜传感探测装置的发展与应用仍面临一些问题。首先,金刚石薄膜的质量决定了探测器的性能,目前,探测器级(电子级)金刚石薄膜主要采用CVD 法制备,但其制备与加工成本仍较高,膜沉积速率与质量较低,尤其在超大尺寸高品质单晶金刚石膜的制备方面仍存在技术障碍,亟需开发新技术、新工艺以实现高质量金刚石膜的低成本、规模化生产,通过提升金刚石薄膜质量可改善探测传感装置的暗电流、电荷收集效率、灵敏度等性能。其次,为了提高传感探测器的性能并实现对气体、带电粒子、射线、磁场等物质的同步探测,需对金刚石薄膜传感探测器的器件结构进行多功能化、3D 集成化设计。比如对金刚石薄膜表面金属电极的组成与结构进行合理优化改性,提高金刚石膜与电极之间的欧姆接触特性,从而改善传感探测器的灵敏度、信噪比等特性。另外,通过构建多层金刚石膜结构并设计传感探测器矩阵,提高其探测效率并拓展其能量探测范围,是今后一个时期需要研究和解决的重要课题[53]。