浙大杨德仁院士团队，重磅Science子刊！

研究背景

随着医学成像技术的不断进步，X射线成像技术在医学诊断、治疗和预防中的作用日益突显。而在固态X射线探测器领域，研究人员主要关注着如何提高探测器的性能，以实现更高的分辨率、灵敏度和稳定性。

在过去的研究中，人们已经发现了两种主要的X射线探测器工作原理：一种是间接转换原理，通过将X射线转换为电子信号来实现探测，另一种是直接转换原理，将X射线光子直接转换为电荷载流子。直接转换型探测器由于其较好的空间分辨率和灵敏度而备受关注。然而，传统的直接型X射线探测材料仍然存在一些挑战，如载流子传输特性、X射线吸收能力、制造成本以及与薄膜晶体管（TFT）集成的问题。

金属卤化物钙钛矿（MHPs）作为一种新型材料，由于其优异的光电性能，已经被认为是直接型X射线探测器的潜在替代品。然而，现有的MHP探测器仍然存在着一些问题，例如暗电流密度过高、制造成本较高、稳定性不足等。

成果简介

针对这一挑战，浙江大学材料科学与工程学院杨德仁院士团队方彦俊课题组在“Science Advances”期刊上发表了题为“Monolithic integration of perovskite heterojunction on TFT backplanes through vapor deposition for sensitive and stable x-ray imaging”的论文。本文采用了全无机钙钛矿作为光敏层，并通过蒸发沉积工艺制备了平面异质结厚膜。通过引入异质结，作者成功降低了暗电流密度，并提高了探测器的灵敏度，从而实现了记录低的检测极限。此外，作者还通过单片集成将异质结膜与TFT阵列结合，实现了高分辨率和清晰的实时平板X射线成像。

研究亮点

1. 首次采用全无机钙钛矿材料制备异质结薄膜：本文通过蒸发沉积方法，实现了首次制备CsPbI₂Br/CsPbIBr₂全无机钙钛矿异质结薄膜。

2. 异质结引入降低暗电流密度：本文通过引入异质结，成功降低了探测器的暗电流密度至<1 nA·cm⁻²，满足了工业标准。

3. 提高探测器的灵敏度：本文异质结的引入有效促进了光生电子-空穴对的分离，显著提高了探测器的灵敏度至2.6 × 104 μC·Gyair⁻¹·cm⁻²。并实现了记录低的检测极限<1 nGyair·s⁻¹，为低剂量X射线成像提供了可能。

4. 异质结薄膜的稳定性：在各种苛刻的工作条件下，异质结薄膜表现出了优异的稳定性，包括高剂量辐照、高温退火、长期偏置和热循环等。

5. 实现了异质结薄膜与TFT阵列的单片集成：本文通过VD工艺将异质结薄膜与商业TFT阵列单片集成，实现了高分辨率和清晰的实时平板X射线成像。

图文导读

图1. CsPbI₂Br/CsPbIBr₂异质结膜的设计、制备和表征。

图2. 单组分和异质结探测器的电输运特性表征。

图3. 单组分和异质结探测器的X射线检测性能。

图4. 异质结探测器的稳定性评价。

图5. 异质结膜与TFT阵列的单片集成用于平板X射线成像。

总结展望

本研究通过结合新型材料和先进制备技术，为低剂量X射线成像应用提供了新的可能性。首先，作者充分利用了全无机钙钛矿材料的优异性能，如较大的原子序数、高迁移寿命乘积和优良的环境稳定性，这使得作者能够在X射线探测领域取得突破性进展。其次，通过引入异质结结构，作者有效地降低了暗电流密度并提高了载流子分离效率，从而实现了灵敏度的大幅提升，为低剂量成像提供了更高的质量保证。此外，作者采用VD技术将全无机钙钛矿与TFT衬底进行单片集成，这不仅实现了高分辨率的实时成像，还为该技术在工业化应用上提供了可行性。

文献信息

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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