“2017中國光學十大進展”候選推薦

X射線探測器廣泛應用于安檢、醫(yī)學成像和工業(yè)材料檢驗等領域。傳統(tǒng)探測方法是利用閃爍晶體將X光子轉化為可見光，再激勵光電倍增管產生電信號，其成像分辨率受到光學串擾限制。而直接探測是利用半導體材料將X光子直接轉換為電子信號的檢測方法，擁有更高的空間分辨率和更低的系統(tǒng)成本。

 

最近的研究表明，有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦在X射線直接探測方面具有優(yōu)異性質，如X射線吸收系數(shù)大、載流子擴散距離長和低溫溶液制備成本低等，受到人們普遍關注。但鉛基鈣鈦礦的毒性不容忽視，基于鉛基鈣鈦礦的X射線成像系統(tǒng)鉛含量達到3336 g/m2，遠遠超過歐盟對于電子產品中鉛含量的限制（0.1%），制約了其未來產業(yè)化發(fā)展。此外，具有低檢測限的X射線探測器不僅能夠減少醫(yī)學成像和安檢過程中使用的X射線劑量，從而降低輻射導致的患癌幾率，同時也能提升成像系統(tǒng)空間分辨率。目前鉛基鈣鈦礦受到離子遷移和表面缺陷的影響，探測器暗電流過大，最低檢測限為0.036 μGyair s-1，仍待進一步降低。

 

 

唐江團隊創(chuàng)新性地提出了基于銫銀鉍溴雙鈣鈦礦單晶的X射線直接探測，將鉛基鈣鈦礦（CsPbBr3）中的鉛替換為銀和鉍，從而避免了鉛的使用。更重要的是，銫銀鉍溴單晶探測器具有對X射線的高靈敏度和低檢測限，主要體現(xiàn)在該材料具有高于鉛基鈣鈦礦的平均原子序數(shù)，從而保證了X射線的高效吸收；同時其間接帶隙的躍遷特征保證了該材料長的少子壽命（660 ns）和載流子擴散距離，從而提高了探測器的電荷收集效率；此外，該材料缺陷濃度低且離子遷移不顯著，保證了在工作條件下的高電阻率和低噪音特征，從而有效降低探測器的檢測限。通過單晶體缺陷的降低和表面缺陷的抑制，最終制備的探測器靈敏度達到105 µC Gyair-1 cm-2，最低檢測限為59.7 nGyair s-1，高溫和輻照穩(wěn)定性好，綜合性能達到甚至部分超過了鉛基鈣鈦礦探測器水平。

 

 

 

圖1.  (a) Cs2AgBiBr6的XRD圖譜和實物照片；(b) Cs2AgBiBr6 X射線探測器的在不同照射劑量和工作電壓下的信噪比；(c) 探測器的工作穩(wěn)定性

 

該團隊還提出了表征鈣鈦礦離子遷移的新方法，并通過理論計算和實驗驗證了銫銀鉍溴具有比鉛基雜化鈣鈦礦更小的離子遷移。該工作為非鉛鈣鈦礦材料光電性能的理解及其應用提供了新思路，其制備的穩(wěn)定靈敏無毒的X射線探測器也具有優(yōu)異的技術參數(shù)，能夠減少醫(yī)學成像和安檢過程中使用的X射線劑量，從而降低輻射導致的患癌幾率，同時也能提升成像系統(tǒng)空間分辨率，有希望實現(xiàn)疾病的早期檢測，應用前景廣闊。

 

相關成果以Cs 2AgBiBr 6 single crystal X-ray detectors with a low detection limit 為題發(fā)表在光電領域權威期刊Nature Photonics [ 11, 726-732 (2017) ] 上。華中科技大學為論文第一單位，唐江教授及其團隊成員牛廣達副研究員和生命學院謝慶國教授為論文共同通訊作者，武漢光電研究中心博士生潘偉程、巫皓迪、羅家俊和生命學院鄧貞宙博士為論文共同第一作者。

 

此外，該工作還得到了蘇州大學尹萬健教授、北京工業(yè)大學隋曼齡教授和柯小行教授的協(xié)助，他們分別提供了理論計算和材料表征方面的支持；本工作得到了科技部重點研發(fā)計劃(2016YFB0700702)、國家自然科學基金(91433105)等資助，在此一并表示感謝。

 

唐江課題組介紹請參見其團隊主頁 。

 

 

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-017-0012-4