近日，深圳研究生院化學(xué)生物學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院楊世和課題組在國際知名期刊 Cell 的姊妹刊 Matter 上，發(fā)表了題為“An aerosol-liquid-solid process for the generalsynthesis of halide perovskite thick films for direct-conversion X-ray detectors”的論文。首次報道了一種新穎的ALS(aerosol-liquid-solid process)方法合成高質(zhì)量的鹵化鈣鈦礦材料厚膜，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了X射線探測器的設(shè)計和制備，展現(xiàn)了其生物成像應(yīng)用的潛力。
X射線探測器是一類接收X射線并將其轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，可實(shí)現(xiàn)對生物體、金屬等樣品內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確探測，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、科研、核工業(yè)、精密零件加工以及航天航空等領(lǐng)域。其中以高性能X射線探測器為核心技術(shù)發(fā)展起來的電子計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)(Computed Tomography，簡稱CT系統(tǒng))，在外科手術(shù)和組織病變的臨床診斷中發(fā)揮著不可替代的作用。同時，在癌癥治療過程中，高性能的醫(yī)學(xué)X射線成像設(shè)備也是腫瘤診斷和腫瘤切除手術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
鹵化鈣鈦礦材料具有帶隙可調(diào)、載流子壽命長和遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來迅速成為光電探測器、太陽能電池、LED等諸多領(lǐng)域的明星材料。其中，德國西門子公司和韓國三星公司等企業(yè)團(tuán)隊(duì)率先發(fā)掘了鈣鈦礦半導(dǎo)體材料作為X射線探測器吸光層的應(yīng)用潛力，引發(fā)了X射線探測領(lǐng)域的新變革。然而，隨著研究的深入，如何在TFT電路板上制備得到高質(zhì)量，大面積的鈣鈦礦晶體，成為了鈣鈦礦X射線探測器通向商業(yè)化的瓶頸問題。
有鑒于此，楊世和課題組通過長期摸索，利用自主設(shè)計搭建的設(shè)備，發(fā)展了一種新穎的ALS方法，可以在TFT電路板等基底上直接制備一系列準(zhǔn)單晶鈣鈦礦膜。該方法以超聲噴霧為技術(shù)手段，利用氣-液界面連續(xù)引入反應(yīng)物，形成前驅(qū)體，通過參數(shù)選擇巧妙地調(diào)控液膜內(nèi)溶質(zhì)濃度分布，使其以鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)形式有序地源源不斷地沉積在已異相成核的固態(tài)鈣鈦礦膜表面，避免了多余無規(guī)的成核位點(diǎn)，使得鈣鈦礦膜以獨(dú)特的方式自下而上地快速結(jié)晶生長。該過程的循環(huán)往復(fù)最終實(shí)現(xiàn)了厚度精確可控的鈣鈦礦晶體生長，且得到的鈣鈦礦晶體在垂直方向無明顯晶界，形貌近似于單晶，相比于傳統(tǒng)方法制備得到的多晶鈣鈦礦膜，在垂直方向上的載流子傳輸性能得到了極大程度的提高。此外，該方法可適用于絕大多數(shù)種類鈣鈦礦材料的大面積制備。
圖1. ALS方法制備得到的多種鈣鈦礦材料厚膜的形貌和XRD表征結(jié)果
基于具有代表性的CsPbI2Br純無機(jī)鈣鈦礦材料，研究團(tuán)隊(duì)制備了性能優(yōu)異的X射線探測器。其X射線的探測靈敏度(1.48×105μCGyair-1 cm-2)可謂前所未有，是目前商用的α-Se材料探測器(20μCGyair-1 cm-2)7000多倍，可以在280nGyair s-1的極低輻射劑量下實(shí)現(xiàn)有效的探測信號分辨。通過單點(diǎn)掃描模式，在無算法處理的情況下實(shí)現(xiàn)了對于骨骼和肌肉組織密度較低的生物樣品的X射線成像，清晰地顯示了骨骼缺陷以及肌肉組織厚度等信息。這表明了利用ALS方法制備得到的鈣鈦礦X射線探測器具有很好的單點(diǎn)成像能力，在醫(yī)用CT領(lǐng)域具有令人鼓舞的商業(yè)化前景。
楊世和課題組博士研究生錢微和博士后徐修文是本文共同第一作者，肖爽副研究員和楊世和教授為共同通訊作者。合作方中山大學(xué)陳軍教授和中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院葛永帥研究員等人也作出了貢獻(xiàn)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金、深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深港創(chuàng)新圈聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目，深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，深圳市技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目以及南山區(qū)領(lǐng)航團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。
