Advanced Science | 原位生长钙钛矿晶片实现低剂量直接X射线探测成像

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所喻学锋、刘延亮团队与医工所葛永帅团队合作，在权威刊物Advanced Science在线发表研究论文“PbI2-DMSO Assisted In-situ Growth of Perovskite Wafer for Sensitive Direct X-ray Detector”。 

该成果聚焦钙钛矿直接型X射线探测器中钙钛矿晶片材料缺陷密度高、载流子传输效率低的科学问题，原创性地开发了一种钙钛矿晶体的原位生长技术，极大提高了钙钛矿晶片的光电性能，实现了高效直接X射线探测及扫描成像。本工作为制备高灵敏、高分辨直接X射线探测器提供了新的技术路线，有望应用于未来高端医疗影像诊断和芯片无损检测等领域。

喻学锋研究员、葛永帅研究员和刘延亮副研究员为本文共同通讯作者，刘文俊硕士生和史桐雨博士生为本文的共同第一作者。 

论文线上截图

论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202204512

X射线探测在医学诊疗、安防检查、工业无损检测等领域应用广泛。然而，目前商用的闪烁体间接X射线探测器存在二次光电转化效率低、可见光色散等难以克服的问题，导致探测灵敏度低、辐射剂量高、空间分辨率差，无法满足高端医学影像、芯片检测等领域的需求。相比之下，基于半导体材料的直接X射线探测器可通过一次光电转换，直接将X射线转换成电信号，因此可具有更高的光电转换效率、探测灵敏度和空间分辨率。然而，目前常用的直接X射线探测半导体材料面临对X射线吸收弱（硅、非晶硒）、热稳定性差（非晶硒）、造价高昂（碲化镉、碲锌镉）等问题，极大地限制了其推广应用。因此，发展新型高效半导体光电转换材料是直接X射线成像探测器走向应用的关键。 　  

近年来，金属卤化物钙钛矿半导体凭借优异的本征性能，如重原子X光吸收、载流子迁移率高和寿命长等，在直接X射线探测领域备受关注。钙钛矿材料对X射线的探测灵敏度可达100000 μC Gyair^-1cm^-2，远优于商用的硅、非晶硒、碲锌镉。通过简单等静压方法制备的钙钛矿晶片尺寸和厚度可控，非常适用于直接X射线检测。然而，钙钛矿晶片常常面临晶体生长不完全、电荷缺陷密度高的问题，严重影响了X射线探测器的效率及工作稳定性。   

针对上述问题，结合之前的研究基础，从提升钙钛矿结晶度、降低钙钛矿晶片缺陷密度出发，本研究工作创新性地开发了一种PbI2-DMSO固体添加剂，促进了厚钙钛矿晶片的原位再生长，提高了材料的结晶度、降低缺陷密度、提高载流子迁移率和寿命。并且通过减缓钙钛矿的结晶过程，降低成核密度形成连续的大晶粒钙钛矿晶片，进一步促进器件表面晶界融合、提高电荷传输性能，从而获得高效钙钛矿直接X射线探测器。探测器灵敏度可达1.58×104μC Gyair^-1cm^-2,最低可探测剂量可达410 nGyair s^-1，并且用平面扫描的方式，实现了高清X射线探测成像。这项工作为钙钛矿材料开拓了新的应用方向，同时也为高质量钙钛矿晶片的制备提供了一种有效策略，具有很大科学和应用价值。 

该研究工作获得了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年项目、中科院青年创新促进会、深圳市杰青及中科院特别研究助理等项目的资助。 

原位生长钙钛矿晶片用于高灵敏直接X射线探测

X射线探测扫描成像