目前常見的剛性X射線探測器無法適用于異性結構等復雜環境,因此研發柔性X射線探測器十分必要。而當下的柔性X射線探測器,主要基于有機半導體、非晶硅以及硒,仍存在靈敏度不高、彎折耐受性較差等問題,并且制備方法較為復雜。因此,開發高靈敏、高穩定性的柔性X射線探測器具有重要意義。金屬鹵化物鈣鈦礦由于具有原子序數高、大μτ等特殊性質,在輻射探測方面得到了廣泛的應用。Cs4PbI6材料具有較高的X射線衰減系數和優異的電學性能,在X射線探測方面有很好的應用前景。
近期南京航空航天大學的科研人員采用一種簡單的旋涂方法成功地制備了聚合物包覆的Au/Cs4PbI6/Au薄膜,這種柔性探測器可實現對折彎曲、且無明顯衰減的高靈敏X射線探測。
研究人員首先將一層薄薄的聚合物(環氧丙烯酸酯、甲基丙烯酸羥乙酯和光引發劑1173的混合物)旋涂到石英襯底上,并用紫外燈固化1分鐘。然后,在聚合物膜表面蒸發一層50nm的Au作為叉指電極。光學活性面積為0.2×0.4cm2,指寬0.275mm,間距0.275mm。然后,采用溶液旋涂的方法在Au電極頂部旋涂了一層厚度為8.4μm的Cs4PbI6薄膜。最后,為了避免薄膜在空氣中的降解,旋涂聚合物薄膜將整個器件封裝成保護層。將聚合物從襯底上剝離得到柔性Au/Cs4PbI6/Au X射線探測器。
實驗結果顯示,這種靈活透明的器件在10V下,對30keV的單能X射線檢測實現了256.20μC•Gy-1•cm-2的卓越靈敏度,并且性能至少穩定了60天而不會衰減。而目前商用的a -Se X射線探測器靈敏度只有20μC•Gy-1•cm-2,可見該研究成果的檢測靈敏度高出了十倍以上,因此已達到了儀器使用水平。
此外,在特定彎曲角和循環彎曲試驗中也沒有觀察到明顯的衰減現象。探測器反復彎曲600次后,靈敏度和開-關電流值沒有明顯降低。這些結果揭示了Cs4PbI6鈣鈦礦薄膜在制造柔性X射線探測器方面的潛力。
目前較為常見的商用半導體X射線探測器主要采用的是硅漂移探測器,但其往往受制于高純半導體材料技術的限制,因此生長成本較高,并且無法用于曲面等異性結構。而此次研發的柔性探測器不僅制備成本低,靈敏度也較高,可對低能X射線做出良好響應,其良好的柔性特性也可以被廣泛應用于各種非規整場景,如石油管道或身體部位的檢測等。
該研究成果已經發表在近期的Nano Letters 上,論文題目為《用于高靈敏度 X 射線檢測的耐用柔性聚合物封裝Cs?PbI?薄膜》(Durable Flexible Polymer-Encapsulated Cs?PbI? Thin Film for High Sensitivity X-ray Detection)。
對于后續的研究方向,研究團隊認為目前使用的Cs?PbI?鈣鈦礦含有有毒元素鉛,對環境和人體健康不友好。后續將對無鉛鈣鈦礦進行進一步的研究,提高其實用性;同時還將進一步開展大面積器件的制備,設計后續的電子學設備以期服務于社會。