Ionizing Radiation Detection Using the Field Effect Transistor Based on Reduced Graphene Oxide

Abstract

У роботі створено графеновий польовий транзистор шляхом нанесення плівкоутворювальної суспензії відновленого оксиду графену (RGO) на кремнієву підкладку з шаром SiO2 і подальшого висушування на повітрі за кімнатної температури. Досліджено можливість використання отриманого польового транзистора для детектування іонізуючого випромінювання. Вивчено електричні характеристики сенсора радіації на основі плівки RGO у режимах постійного та змінного струму. Проаналізовано залежності струму стоку та опору плівки RGO від напруги на затворі отриманого польового транзистора. На залежності струму стоку від напруги на затворі виявлено лінійні ділянки, положення яких визначаються знаком напруги зміщення. Встановлено зменшення провідності польового транзистора на основі RGO поблизу точки нейтральності заряду внаслідок опромінення ізотопом 226Ra. Зареєстровано збільшення опору та зменшення ємності досліджуваного польового транзистора у частотному діапазоні 25 Гц – 1 МГц, зумовлене спільною дією альфа- та бета-частинок і гамма-квантів. Виявлено лінійну залежність електричних характеристик запропонованого сенсора від поглинутої дози, яка визначається тривалістю опромінення. Розглянуто можливі механізми впливу іонізуючого випромінювання на провідність отриманої структури на основі плівки РГО. Генерація електронно-діркових пар у кремнієвій підкладці та утворення радіаційних дефектів в ізоляційному шарі SiO2 є, ймовірно, основними факторами, що впливають на електричні характеристики польового транзистора на основі плівки RGO під дією іонізуючого випромінювання. Отримані результати розширюють перспективи використання графенових польових транзисторів для створення нового типу детекторів радіації та дозиметричних пристроїв.

In this study, the graphene field-effect transistor (FET) has been created by depositing a film-forming suspension of reduced graphene oxide (RGO) on the silicon substrate with a SiO2 layer and air-drying at room temperature. The possibility of using the obtained FET for ionizing radiation detection was investigated. The electrical characteristics of the radiation sensor based on the RGO film were studied in modes of direct current and alternating current. The dependencies of the drain current and the resistance of the RGO film on the gate voltage of the obtained FET were analyzed. Linear sections on the dependence of the drain current on the gate voltage, the positions of which are determined by the sign of the drain-source voltage, were detected. A decrease in the conductivity of the FET based on the RGO film near the point of charge neutrality due to irradiation from the 226Ra isotope was established. An increase in resistance and a decrease in capacitance of the investigated FET have been found in the frequency range of 25 Hz – 1 MHz caused by the joint action of alpha and beta particles and gamma quanta. A linear dependence of the electrical characteristics of the proposed sensor on the adsorbed dose determined by the irradiation duration was discovered. Possible mechanisms of the ionizing radiation influence on the conductivity of the obtained structure based on the RGO film are considered. The generation of electron-hole pairs in the silicon substrate and the formation of radiation defects in the insulator layer are probably the main factors affecting the electrical characteristics of the RGObased FET under the action of ionizing radiation. The obtained results expand the perspective of using graphene FETs to create a new type of radiation detectors and dosimetric devices.