近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡芹研究員課題組在鈣鈦礦半導(dǎo)體X射線探測(cè)器研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入優(yōu)化載流子輸運(yùn)特性及器件結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)出具有高靈敏度以及低檢測(cè)線的高性能X射線探測(cè)器。相關(guān)成果以“Tailoring nucleation dynamics in perovskite single crystal for high-sensitivity X-ray detection and imaging”為題發(fā)表于電子學(xué)知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2025.3577990）。

在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域，X射線探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯。然而，傳統(tǒng)X射線探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中常常面臨靈敏度不足、制備工藝復(fù)雜等棘手問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅限制了探測(cè)器性能的提升，也影響了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，高靈敏度的X射線探測(cè)器對(duì)于實(shí)現(xiàn)圖像的高清晰度和高分辨率至關(guān)重要，它能夠更精準(zhǔn)地分辨病變部位，從而提高診斷的準(zhǔn)確性。同時(shí)，考慮到X射線對(duì)人體存在一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)，降低探測(cè)器的檢測(cè)限可以顯著減少患者接受的輻射劑量，進(jìn)而降低患癌風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)一種既能提供高靈敏度成像又能降低檢測(cè)限的X射線探測(cè)器，對(duì)于提升醫(yī)療診斷水平和保障患者健康具有重大意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，本工作將研究重點(diǎn)聚焦于載流子輸運(yùn)特性和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上，成功實(shí)現(xiàn)了兼具優(yōu)異性能和良好制備工藝性的X射線探測(cè)器。在載流子輸運(yùn)特性方面，團(tuán)隊(duì)?wèi){借對(duì)晶體生長(zhǎng)工藝的精細(xì)調(diào)控，成功獲得了具備優(yōu)異載流子輸運(yùn)性能的晶體材料，載流子遷移率-壽命乘積（μτ）達(dá)到1.42×10-3 cm2 V-1（圖1b），缺陷密度低至6.26×109 cm-3（圖1a）。這些特性使得探測(cè)器在X射線照射下能夠更高效地收集光生載流子，從而實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度和更低的檢測(cè)。在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用水平型結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理配置光吸收區(qū)域與電荷收集路徑，不僅有效降低了對(duì)晶體厚度均勻性的嚴(yán)苛要求，極大簡(jiǎn)化了制備工藝流程，還顯著增強(qiáng)了器件的穩(wěn)定性與重復(fù)性，同時(shí)大幅提升了載流子收集效率，為探測(cè)器性能的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基于上述優(yōu)化，該團(tuán)隊(duì)成功研制出高性能X射線探測(cè)器。測(cè)試結(jié)果表明，器件靈敏度達(dá)到5.4×104 μC Gyair-1 cm-2（圖1c），較目前平面MAPbBr3器件的最高靈敏度提升 2.1 倍，檢測(cè)限低至17.8 nGyair-1（圖1d），不僅比標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療診斷要求（5.5 μGyair s-1）低近 300 倍，還比商用 CdZnTe（CZT）探測(cè)器（145 nGyair-1）低約 8 倍。在成像測(cè)試中，對(duì)刻著“U”“S”“T”“C”的字母鉛板進(jìn)行成像，成像結(jié)果清晰可見(jiàn)（圖1f），展現(xiàn)出器件在X射線探測(cè)器良好的成像性能。

圖1. 基于MAPbBr2.94Cl0.06單晶的器件性能（a）空間電荷限制電流方法計(jì)算單晶的缺陷態(tài)密度（b）擬合單晶的光電導(dǎo)曲線得到μτ值，（c）器件在不同反向電場(chǎng)下器件的靈敏度，（d）器件的信噪比與X射線劑量率的關(guān)系，線性外推得到器件的檢測(cè)限，（e）X射線探測(cè)器陣列成像原理圖和（i）X射線探測(cè)陣列成像結(jié)果。