华中科技大学唐江团队Nature Photonics: Cs2AgBiBr6单晶X射线探测器

【背景介绍】

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。目前一般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、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，远超欧盟对于电子产品中铅含量的限制（1000 ppm），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 μGy_air s^-1，仍待进一步降低。

【成果简介】

北京时间2017年10月2日，华中科技大学唐江教授，牛广达副研究员和谢庆国教授（共同通讯作者）等人在Nature Photonics上发表了最新研究成果“Cs₂AgBiBr₆ single crystal X-ray detectors with a low detection limit”。该团队报道了基于溶液法制备的全无机双钙钛矿铯银铋溴(Cs₂AgBiBr₆)单晶X射线直接探测器。将铅基钙钛矿CsPbBr₃中的铅替换为银和铋，从而避免铅的使用。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X射线的高效吸收；同时其间接带隙的跃迁特征保证该材料长的少子寿命（660 ns）和载流子扩散距离，从而提高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，最终制备的探测器在非常低的工作电压下（5V），灵敏度达到105µC Gy _air ^-1 cm^–2，最低检测限为59.7 nGy_air s^-1，高温和辐照稳定性好，综合性能达到甚至部分超过铅基钙钛矿探测器水平。论文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实测证实了铯银铋溴具有比有机无机铅基杂化钙钛矿更小的离子迁移。该工作不仅为非铅钙钛矿材料的光电性能理解及其指向性应用提供了新思路，其所发展的稳定灵敏无毒的X射线探测器也具有优异的技术竞争力，有希望实现产业化应用。

本工作与华中科技大学谢庆国教授、苏州大学尹万健教授、北京工业大学隋曼龄和柯小行教授合作完成，他们分别提供了X射线测试系统和测试帮助、理论计算和材料表征方面的支持；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。

【图文导读】

图1，Cs₂AgBiBr₆单晶特性

图2，Cs₂AgBiBr₆材料性能优化

图3  Cs₂AgBiBr₆单晶X射线探测器性能

图4 Cs₂AgBiBr₆单晶离子迁移的表征

文献链接：Cs2AgBiBr6 single-crystal X-ray detectors with a low detection limit （Nature Photonics, 2017, DOI: 10.1038/s41566-017-0012-4）

【合作声明】

为了加快钙钛矿高能射线探测应用的产业化步伐，迫切希望与有TFT背板、ROIC读出系统方面经验的研究团队和相关企业合作，实现产学研结合，共同发展X射线大面阵成像系统，以期打破Siemens、Samsung在该领域的垄断地位。联系方式：
牛广达：guangda_niu@hust.edu.cn；唐江： jtang@hust.edu.cn；027-87793936。