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3分钟了解CZT碲锌镉晶体

光电汇OESHOW

2024-10-29

最近，一种新型的医疗CT——新型光子计数CT进入了人们的视野。作为一种新兴的成像模式，与传统CT成像相比，光子计数CT能够以更低的辐射剂量提供更高分辨率的图像，并以更快的速度和更低的电子噪声改善组织分化，被称为医学成像领域的创新进步，而它的核心就是碲锌镉（CZT）晶体，今天我们就来聊一聊这种神奇的人造晶体。

一、CZT晶体的基本情况

碲锌镉晶体在自然界中并不存在，它是通过人工的方式，让碲、锌、镉三种单质还有一些微量元素化合生长而成，属于宽禁带II - VI族半导体材料，英文简称CZT，全称为“Cadmium - Zinc - Telluride (CdZnTe)”，其实就是CdTe和ZnTe固溶而成的化合物半导体晶体。

早在1991年，科学家们就开始研究CdZnTe材料。当时，它就凭借着两个特性在业界引起了广泛关注。

1.高灵敏度的光子捕捉能力

CZT是唯一能在室温状态下工作，并且能在每秒每平方毫米面积上处理百万到千万级个光子的半导体。它的灵敏度达到了极限，可以快速精准地捕捉到微弱到几乎没有的宇宙本底射线的辐射量，这一特性在业界引起了轰动。

2.优异的光电转换性能

CZT具有出色的光电性能，能够在室温状态下直接将X射线和γ射线转光子变为电子，这使得它成为迄今为止制造室温X射线及γ射线探测器最为理想的半导体材料。也正是因为这些特性，CZT是核医学影像设备最理想的探测器材料。

但是，理想很丰满，现实却有点骨感。1991年以后，CZT基质探测器的发展并没有像大家预想的那样一路狂飙。2000年，一个新的生长工艺使大型CZT晶体生产有了改进，但是由于杂质问题，导致它的分辨率并没有得到很明显的提升。

2021年，布鲁克海文国家实验室（BNL）在CZT晶体探测技术上取得了重大突破，他们利用国家同步加速光源进行测试，发现了CZT晶体内之前一直被大家忽略的“死区”问题。在这个区域中，会出现大量碲的沉积现象，而这一现象会使γ射线的分辨率大幅降低。科学家们经过研究发现，如果能够识别出这些“死区”并且将其去除，探测器的精度就能够得到提升。如此一来，就可以制造出规模更大、精度更高的CZT基质核辐射探测器。虽然CZT探测器在分辨率方面和锗探测器相比还有一定的差距，但是与碘化钠探测器相比，它的性能已经有了非常明显的提升。

二、CZT的应用领域

CZT属于第三代前沿战略性的半导体材料，是当前国际国内制造室温中红外探测、X射线探测、γ射线探测、核辐射及高能射线等探测器最为先进、优异的材料。它的应用可分为军用和民用两大类。

1.军事用途

在军事方面，CZT材料有着非常重要的意义，其主要贡献在于能够极大地提高武器装备的红外探测性能，让成像更加清晰。要知道，当前在国际上，超过九成的武器装备都是依靠红外探测这种方式来搜索和发现目标的。红外探测就像是武器装备的“眼睛”，而CZT材料能让这双“眼睛”看得更远、更清楚。

2.民用领域

在民用领域，CZT材料的应用前景十分广阔。它主要会被应用到多个领域、行业的设备和仪器制造当中，比如核医疗、放射源检测、无损检测、核辐射探测、探温探源检测以及夜视等方面。碲锌镉半导体材料及其相关器件能够提升核医疗、核辐射剂量、安检等设备仪器（像CT机、X光机、安检仪器等）的功能和性能。

拿核医疗领域来说，自从1958年第一台Anger伽玛相机诞生以来，传统的SPECT核医学设备探测器一直采用碘化钠晶体（NaI）+光电倍增管（PMT）设计。

其工作原理是注射到人体内的放射性药物发射出γ光子，通过准直器定位投射到NaI晶体上，转换成可见光，再通过PMT光电倍增管进行光电转换成电信号并放大，传输到电子线路和工作站进行重建成像。但这种间接成像技术存在诸多弊端，大量光子丢失，而且PMT将可见光转化为电信号的效率仅有20%-25%左右，使得传统的SPECT核医学设备在计数率、分辨率方面受到很大限制。

而新型CZT晶体探测器则不同，γ射线投射到CZT晶体产生电子和空穴对，在CZT晶体表面的薄金属电极在偏压作用下，于晶体内部产生电场，带负电的电子和带正电的空穴朝不同电极运动，最终形成的电荷脉冲信号经过后续电子线路放大并处理进行成像。CZT探测器无需光电倍增管和光电转换过程，探测效率大幅提高，在能量分辨率上比传统NaI闪烁晶体提高了3倍以上。这种从间接成像到直接成像的转变，就如同拍片机从模拟时代到数字时代的跨越，CZT引领了核医学影像的数字化革命。

三、CZT的产业化

CZT材料的核心价值体现在，它能够推动前面提到的这些行业的设备和仪器在工艺、功能以及性能方面进行更新换代。这就好比给这些设备和仪器进行了一次全面的“升级”，有助于提升整个产业的结构，让国内这些行业在参与国际竞争的时候，能够站在同代差的起跑线上，不会因为设备和技术的落后而处于劣势。

正因CZT材料在军事及民用领域具有诸多革新、颠覆性的功能与性能，国际上少数几个能生产制造的先进国家都将其列为战略性、管制性的产品，对我国进行技术与产品的双封锁。

从生产端的情况来看，当前在全球范围内，仅有eV products、Orbotech、Redlen这三家企业掌握了探测器级CZT（碲锌镉）晶体材料和器件的大规模量产技术。

其中，美国的eV products公司，其生产的产品主要应用于军工领域。在被英国核仪器企业Kromek收购之后，eV products就很少再对外销售CZT材料了。

以色列的Orbotech公司，在被GE医疗收购之后，也停止了CZT晶体材料和器件的对外销售业务。

而到了2021年的时候，位于加拿大的Redlen公司，这家专门生产CZT探测器的企业，也被日本佳能公司全资收购了。

如此一来，我国已经难以从国外市场获取CZT晶体材料与器件的稳定货源供应了。

我国企业奋起直追。2022年，安徽承禹半导体材料科技有限公司获得中国科学院半导体研究所关于第三代前沿半导体材料CZT单晶棒及晶片的检测检验报告。其结论和数据显示，承禹新材制造的CZT单晶棒及晶片，在红外透过率等综合参数性能、产品良率、晶棒及晶片尺寸规格，尤其是3英寸的全单晶圆片等几项关键指标方面，均处于国内同行业中领先位置，部分指标追平甚至领先国际水平。

而陕西迪泰克新材料有限公司，则是全球极少数、国内唯一可以产业化生产、销售探测器级CZT晶体、产品及设备的企业，建有3条CZT晶体生长、探测器制备及系统集成生产线，具有从产品创新研发到产品中试，再到产业化生产的全体系供应服务能力，成功将CZT国产化及产业化落地。相关产品在国内市场占有率超过80%。