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华中科技大学唐江课题组:基于非铅钙钛矿单晶的X射线探测器

2017-12-05

华中科技大学武汉光电研究中心唐江教授团队在X射线探测器领域取得了新进展。研究团队首次提出了基于铯银铋溴(Cs2AgBiBr6)双钙钛矿单晶的X射线直接探测,制备的探测器灵敏度可达105 μC Gyair-1cm–2,最低检测限为59.7 nGyairs-1,工作电压和灵敏度显著优于商用非晶硒探测器水平,有望显著降低X射线成像时需要的剂量,降低医疗测试时致癌风险,应用前景广阔。

X射线探测器广泛应用于安检、医学成像和工业材料检验等领域。传统探测方法是利用闪烁晶体将X光子转化为可见光,再激励光电倍增管产生电信号,其成像分辨率受到光学串扰限制。而直接探测是利用半导体材料将X光子直接转换为电子信号的检测方法,拥有更高的空间分辨率和更低的系统成本。

最近的研究表明,有机无机杂化铅卤钙钛矿在X射线直接探测方面具有优异性质,如X射线吸收系数大、载流子扩散距离长和低温溶液制备成本低等,受到人们普遍关注。但铅基钙钛矿的毒性不容忽视,基于铅基钙钛矿的X射线成像系统铅含量达到3336 g/m2,远远超过欧盟对于电子产品中铅含量的限制(0.1%),制约了其未来产业化发展。此外,具有低检测限的X射线探测器不仅能够减少医学成像和安检过程中使用的X射线剂量,从而降低辐射导致的患癌几率,同时也能提升成像系统空间分辨率。目前铅基钙钛矿受到离子迁移和表面缺陷的影响,探测器暗电流过大,最低检测限为0.036 μGyairs-1,仍待进一步降低。

唐江团队创新性地提出了基于铯银铋溴双钙钛矿单晶的X射线直接探测,将铅基钙钛矿(CsPbBr3)中的铅替换为银和铋,从而避免了铅的使用。更重要的是,铯银铋溴单晶探测器具有对X射线的高灵敏度和低检测限,主要体现在该材料具有高于铅基钙钛矿的平均原子序数,从而保证了X射线的高效吸收;同时其间接带隙的跃迁特征保证了该材料长的少子寿命(660 ns)和载流子扩散距离,从而提高了探测器的电荷收集效率;此外,该材料缺陷浓度低且离子迁移不显著,保证了在工作条件下的高电阻率和低噪音特征,从而有效降低探测器的检测限。通过单晶体缺陷的降低和表面缺陷的抑制,最终制备的探测器灵敏度达到105 μC Gyair-1cm–2,最低检测限为59.7 nGyairs-1,高温和辐照稳定性好,综合性能达到甚至部分超过了铅基钙钛矿探测器水平。

图1. (a) Cs2AgBiBr6的XRD图谱和实物照片;(b) Cs2AgBiBr6 X射线探测器的在不同照射剂量和工作电压下的信噪比;(c) 探测器的工作稳定性

该团队还提出了表征钙钛矿离子迁移的新方法,并通过理论计算和实验验证了铯银铋溴具有比铅基杂化钙钛矿更小的离子迁移。该工作为非铅钙钛矿材料光电性能的理解及其应用提供了新思路,其制备的稳定灵敏无毒的X射线探测器也具有优异的技术参数,能够减少医学成像和安检过程中使用的X射线剂量,从而降低辐射导致的患癌几率,同时也能提升成像系统空间分辨率,有希望实现疾病的早期检测,应用前景广阔。

相关成果以Cs2AgBiBr6 single crystal X-ray detectors with a low detection limit为题发表在光电领域权威期刊Nature Photonics [11, 726-732 (2017)]上。华中科技大学为论文第一单位,唐江教授及其团队成员牛广达副研究员和生命学院谢庆国教授为论文共同通讯作者,武汉光电研究中心博士生潘伟程、巫皓迪、罗家俊和生命学院邓贞宙博士为论文共同第一作者。

此外,该工作还得到了苏州大学尹万健教授、北京工业大学隋曼龄教授和柯小行教授的协助,他们分别提供了理论计算和材料表征方面的支持;本工作得到了科技部重点研发计划(2016YFB0700702)、国家自然科学基金(91433105)等资助,在此一并表示感谢。

唐江课题组介绍请参见其团队主页

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