穩定、高效的X射線探測器是實現X射線在醫學成像、工業無損檢測、安全檢查、環境監測、核科學與技術、空間輻射探測以及高能物理等領域應用的關鍵技術。不過，X射線探測器目前仍面臨著材料可選擇性小、性質不理想等問題，進一步尋找綜合性能優異的新型半導體探測材料對獲取探測靈敏、高探測效率、簡單、便攜的室溫探測器意義重大。

鈣鈦礦材料是近年發展最快也是最熱門的半導體材料之一。與鈣鈦礦微晶薄膜相比，低缺陷態、高遷移率和更穩定的大尺寸鈣鈦礦單晶更適用于X射線等高能輻射探測。

目前，已經有幾種三維/二維(3D/2D)鈣鈦礦單晶材料被用于X射線探測器，但仍然存在很多不足。一方面，三維鈣鈦礦單晶具有高遷移率和大載流子擴散長度，但由于較高的載流子濃度，使得光電器件呈現很高的暗電流。此外，三維鈣鈦礦內部離子容易遷移，尤其是在高電場下離子遷移異常明顯，導致探測器在工作狀態下不夠穩定，器件信噪比低，基線漂移嚴重，響應不穩定，甚至器件本身都容易損壞。

之前的研究表明，低離子遷移和高體相電阻率是保證高能射線探測器在高電場下穩定輸出的必要條件，因此也是實現高性能X射線成像的巨大挑戰。此外，如何獲得高質量、大尺寸的鈣鈦礦單晶，以及取代高毒性鉛元素而不犧牲光電性能，更是該領域的較大難題。

大連化物所研究成果

大連化物所薄膜硅太陽電池研究組(DNL1606)劉生忠研究員團隊與陜西師范大學劉渝城博士、徐卓博士、楊周博士等合作，基于近年在高質量大尺寸鈣鈦礦單晶生長的技術積累和完備的科研平臺，成功設計、集成了大尺寸零微結構非鉛(類)鈣鈦礦單晶高性能X射線成像器件。

 

該團隊采用低溫溶液生長策略，成功制備了大尺寸零維結構鉍基鈣鈦礦(CH3NH3)3Bi2I9 (MA3Bi2I9) 單晶。試驗證明，該單晶具有很高的X射線吸收率、很低的缺陷態密度、低離子遷移率、高體電阻率以及很好的環境穩定性等。在MA3Bi2I9單晶上設計制備集成的X射線探測器表現出優異的性能。在60 Vmm-1的電場下，探測器的靈敏度達到1947.3 μCGyair-1cm-2，檢測限低于83 nGyairs-1，遠低于常規醫療診斷劑量標準(5.5 μGyairs-1)。此外，MA3Bi2I9單晶X射線探測器的基線漂移率為5.0×10-10 nAcm-1s-1V-1，比三維結構的MAPbI3鈣鈦礦單晶低7個數量級(2.0×10-3 nAcm-1s-1V-1)，保證了器件很好的工作穩定性和高信噪比，從而實現了高靈敏穩定的X射線成像。相關研究成果發表在Matter上。

中國工程物理研究院研究成果

中國工程物理研究院化工材料研究所的鄭霄家副研究員、張文華研究員與中國工程物理研究院流體物理研究所的龍繼東研究員團隊聯合，通過溶液法制備了大尺寸零維MA3Bi2I9單晶，并對其進行了切割加工和探測器的制備。MA3Bi2I9單晶獨特的零維結構使其具有較高的電阻率、極低的載流子濃度、弱離子遷移、較高的載流子遷移率以及遷移率壽命積。所制備的X射線探測器展現了優異的X射線探測性能及工作穩定性。
 

圖：零維MA3Bi2I9的結構與表征。(a)晶體結構;(b)單晶照片;(c)MA3Bi2I9的粉末XRD;(d)不同探測材料對光子能量為50 keV的X射線衰減效率對比。

該團隊使用溶液法制備了英寸尺度的MA3Bi2I9(MA+ = CH3NH3+)單晶樣品并用于X射線探測。所制備的MA3Bi2I9探測器對100 kVp X射線的檢測下限小于1 nGyairs-1，比商用非晶硒成像面板探測限低三個數量級，遠低于醫療成像所要求的5.5 µGyairs-1的劑量率要求;探測器靈敏度~10,000 μCGyair-1cm-2，是商用非晶硒探測器最佳靈敏度的25倍;同時，在100 V偏壓下，經過>20萬次胸透所需射線劑量輻照后，探測器的X射線探測性能無衰減，展現了器件極優的穩定性。

相比商用非晶硒探測器，MA3Bi2I9探測器在保持低制作成本的情況下，有望大幅降低醫療成像過程中X射線的使用劑量需求，從而降低輻射防護的難度和減少輻射造成的有害效應;更為重要的是，基于MA3Bi2I9的X射線探測器可以彌補非晶硒成像面板對硬X射線響應不靈敏的缺點，大大拓寬直接轉換型X射線成像面板的適用范圍。此項研究展示了MA3Bi2I9探測器在醫療成像、安檢、環境核輻射監測等領域具有巨大的潛在應用價值，相關成果已發表在期刊Journal of Energy Chemistry上。