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研究背景

隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，X射線成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷、治療和預(yù)防中的作用日益突顯。而在固態(tài)X射線探測器領(lǐng)域，研究人員主要關(guān)注著如何提高探測器的性能，以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、靈敏度和穩(wěn)定性。

在過去的研究中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種主要的X射線探測器工作原理：一種是間接轉(zhuǎn)換原理，通過將X射線轉(zhuǎn)換為電子信號來實(shí)現(xiàn)探測，另一種是直接轉(zhuǎn)換原理，將X射線光子直接轉(zhuǎn)換為電荷載流子。直接轉(zhuǎn)換型探測器由于其較好的空間分辨率和靈敏度而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的直接型X射線探測材料仍然存在一些挑戰(zhàn)，如載流子傳輸特性、X射線吸收能力、制造成本以及與薄膜晶體管（TFT）集成的問題。

金屬鹵化物鈣鈦礦（MHPs）作為一種新型材料，由于其優(yōu)異的光電性能，已經(jīng)被認(rèn)為是直接型X射線探測器的潛在替代品。然而，現(xiàn)有的MHP探測器仍然存在著一些問題，例如暗電流密度過高、制造成本較高、穩(wěn)定性不足等。

成果簡介

針對這一挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊德仁院士團(tuán)隊(duì)方彥俊課題組在“Science Advances”期刊上發(fā)表了題為“Monolithic integration of perovskite heterojunction on TFT backplanes through vapor deposition for sensitive and stable x-ray imaging”的論文。本文采用了全無機(jī)鈣鈦礦作為光敏層，并通過蒸發(fā)沉積工藝制備了平面異質(zhì)結(jié)厚膜。通過引入異質(zhì)結(jié)，作者成功降低了暗電流密度，并提高了探測器的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)了記錄低的檢測極限。此外，作者還通過單片集成將異質(zhì)結(jié)膜與TFT陣列結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高分辨率和清晰的實(shí)時平板X射線成像。

研究亮點(diǎn)

1. 首次采用全無機(jī)鈣鈦礦材料制備異質(zhì)結(jié)薄膜：本文通過蒸發(fā)沉積方法，實(shí)現(xiàn)了首次制備CsPbI₂Br/CsPbIBr₂全無機(jī)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)薄膜。

2. 異質(zhì)結(jié)引入降低暗電流密度：本文通過引入異質(zhì)結(jié)，成功降低了探測器的暗電流密度至<1 nA·cm^?2，滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3. 提高探測器的靈敏度：本文異質(zhì)結(jié)的引入有效促進(jìn)了光生電子-空穴對的分離，顯著提高了探測器的靈敏度至2.6 × 104 μC·Gyair^?1·cm^?2。并實(shí)現(xiàn)了記錄低的檢測極限<1 nGyair·s^?1，為低劑量X射線成像提供了可能。

4. 異質(zhì)結(jié)薄膜的穩(wěn)定性：在各種苛刻的工作條件下，異質(zhì)結(jié)薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性，包括高劑量輻照、高溫退火、長期偏置和熱循環(huán)等。

5. 實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)薄膜與TFT陣列的單片集成：本文通過VD工藝將異質(zhì)結(jié)薄膜與商業(yè)TFT陣列單片集成，實(shí)現(xiàn)了高分辨率和清晰的實(shí)時平板X射線成像。

圖文導(dǎo)讀

圖1. CsPbI₂Br/CsPbIBr₂異質(zhì)結(jié)膜的設(shè)計(jì)、制備和表征。

圖2. 單組分和異質(zhì)結(jié)探測器的電輸運(yùn)特性表征。

圖3. 單組分和異質(zhì)結(jié)探測器的X射線檢測性能。

圖4. 異質(zhì)結(jié)探測器的穩(wěn)定性評價。

圖5. 異質(zhì)結(jié)膜與TFT陣列的單片集成用于平板X射線成像。

總結(jié)展望

本研究通過結(jié)合新型材料和先進(jìn)制備技術(shù)，為低劑量X射線成像應(yīng)用提供了新的可能性。首先，作者充分利用了全無機(jī)鈣鈦礦材料的優(yōu)異性能，如較大的原子序數(shù)、高遷移壽命乘積和優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，這使得作者能夠在X射線探測領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。其次，通過引入異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，作者有效地降低了暗電流密度并提高了載流子分離效率，從而實(shí)現(xiàn)了靈敏度的大幅提升，為低劑量成像提供了更高的質(zhì)量保證。此外，作者采用VD技術(shù)將全無機(jī)鈣鈦礦與TFT襯底進(jìn)行單片集成，這不僅實(shí)現(xiàn)了高分辨率的實(shí)時成像，還為該技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用上提供了可行性。

文獻(xiàn)信息

Liqi Li et al. ,Monolithic integration of perovskite heterojunction on TFT backplanes through vapor deposition for sensitive and stable x-ray imaging.Sci. Adv.10,eadj8659(2024).DOI:10.1126/sciadv.adj8659

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