【儀表網 儀表研發】X射線探測器廣泛應用于安檢、醫學成像、工業探傷、核電站以及科學研究等領域。其工作模式主要分為以下兩種，將X射線直接轉化成電信號的直接探測，及將X射線轉化成可見光再經光探測器轉換為電信號的間接探測。由于X射線對人體有一定傷害，因此，尋找一種具有高靈敏度和低檢測限的X射線探測器材料尤為重要，并且傳統X射線探測器材料如直接探測材料或者間接探測材料閃爍體具有制備復雜(如CZT)，穩定性差(如a-Se)，靈敏度低(如CsI:Tl)等缺點。唐江教授課題組致力于開發高靈敏X射線轉換材料與高性能探測器，于近連續發表兩篇X射線探測文章于Advanced materials，在直接探測和間接探測方向均取得突破性進展。
 

　　圖1. a.Rb2CuBr3晶體結構示意圖；b.量子產額；c.X射線激發熒光；d. Rb2CuBr3光產額比較

 

　　在間接探測閃爍體領域，閃爍體的光產額是決定X射線轉換效率和探測對比度的重要指標之一。具有大的斯托克斯位移和高的光量子產率(PLQY)是獲得高光產額的先決條件。唐江課題組以RbBr和CuBr為前驅體，利用降溫析晶法合成得到了一種新型的、具有一維晶體結構的、非鉛金屬鹵化物閃爍體R2CuBr3。其激發波長為300nm，發射波長為385nm，斯托克斯位移達到85nm(0.91eV)，自吸收效應低；其一維的晶體結構及易畸變的晶格特性，導致其極易形成自限域激子(STE)，且具有758.9 meV的激子結合能,保證了高的輻射復合效率，光量子產率達到98.6%，為高光產額提供了必要條件。閃爍特性表征發現，Rb2CuBr3和傳統閃爍體(CsI:Tl或LYSO)的X射線吸收能力相當，且其發射波長與硅光電倍增管(SiPM)或光電倍增管(PMT)具有良好的匹配性，終實現91056 photons/MeV的高光產額(如圖1所示)。
 

　　在直接探測領域，鉛基鈣鈦礦半導體由于其X射線吸收系數高，載流子收集效率高等優勢，在X射線探測領域取得了一系列進展，證明了鈣鈦礦在X射線探測領域的巨大潛力。但是目前溶液法制備厚膜過程中，依然存在溶劑揮發導致的孔洞，且晶粒尺寸小、結晶性低，有機無機雜化鈣鈦礦穩定性差等問題。利用鈣鈦礦材料實現X射線成像存在的瓶頸之一為實現準單晶、高靈敏度的鈣鈦礦厚膜。準單晶保證多晶膜具有單晶的傳輸性質，有利于提高載流子的收集效率，厚膜有助于X射線的充分吸收，高靈敏度有利于實現高對比度成像。
 

　　唐江教授課題組針對這一瓶頸問題，提出通過將CsPbBr3高溫熔化成液態，分散在導電玻璃基底上，再采用石英熱壓成膜。這種方法制備出來的CsPbBr3具有高結晶性和均一的取向，厚度達到240 μm，且晶粒上下貫穿。電學性質上，CsPbBr3厚膜具有和單晶相當的載流子遷移率(38 cm2 V-1 s-1)和μτ值(1.32 × 10-2 cm2 V-1)。理論和實驗也證明了，在厚膜制備的過程中，CsPbBr3容易自形成淺的溴空位缺陷，有利于光電導增益。隨后研究者將CsPbBr3準單晶厚膜制備成光電導型X射線探測器，器件靈敏度達到55 684 µC Gyair-1 cm-2@ 5.0 V mm-1(如圖2所示)。
 

　　圖2. a.熱壓法制備CsPbBr3厚膜；b.截面SEM；c.不同電場強度下光電流隨X射線劑量變化

 

　　研究人員相信，具有以上優異性能的新型金屬鹵化物閃爍體R2CuBr3和CsPbBr3直接型探測器將會在X射線成像領域展現巨大的應用潛力。
 

　　題為“Lead‐Free Halide Rb2CuBr3 as Sensitive X‐Ray Scintillator”(18 September 2019)和“Hot‐Pressed CsPbBr3 Quasi‐Monocrystalline Film for Sensitive Direct X‐ray Detection“(16 September 2019)兩篇論文在線發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904711；DOI: 10.1002/adma.201904405)上。 唐江教授和牛廣達副研究員為兩篇論文的共同通訊作者。
 

　　(原文標題 ：《Advanced materials》刊發兩篇唐江教授團隊X射線探測器研究進展)