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課題組在非鉛鈣鈦礦X射線探測器研究方面取得新進展

已有 5893 次閱讀 2017-10-3 19:58 |系統分類:科研筆記

102日,光電領域權威雜志《自然•光子學》(Nature Photonics, IF=37.852)在線發表了武漢光電國家實驗室唐江教授團隊題為《具有低檢測限的銫銀鉍溴單晶X射線探測器》(Cs2AgBiBr6 single crystal X-ray

detectors with a low detection limit)。我校為論文第一單位,唐江教授及其團隊牛廣達副研究員和生命學院謝慶國教授為論文共同通訊作者,武漢光電實驗室博士生潘偉程、巫皓迪、羅家俊和生命學院鄧貞宙博士為論文共同第一作者。


X射線探測器廣泛應用于安檢、醫學成像和工業材料檢驗等領域。目前傳統方法是利用閃爍晶體將X光子轉化為可見光,再激勵光電倍增管產生電信號,其成像分辨率受到光學串擾限制。而直接探測是利用半導體材料將X光子直接轉換為電子信號的檢測方法,擁有更高的空間分辨率和更低的系統成本。最近研究表明,有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦在X射線直接探測方面具有優異性質,如X射線吸收系數大、載流子擴散距離長、低溫溶液制備成本低等,受到人們普遍關注。


但鉛基鈣鈦礦的毒性不容忽視,基于鉛基鈣鈦礦的X射線成像系統鉛含量達到3336 g/m2,遠遠超過歐盟對于電子產品中鉛含量的限制(1000 ppm),制約了其未來產業化發展。此外,具有低檢測限的X射線探測器不僅能夠減少醫學成像和安檢過程中使用的X射線劑量,從而降低輻射導致的患癌幾率,同時也能提升成像系統空間分辨率。目前鉛基鈣鈦礦受到離子遷移和表面缺陷的影響,探測器暗電流過大,最低檢測限為0.036 μGyair s-1,仍待進一步降低。


唐江團隊創新性地提出基于銫銀鉍溴(Cs2AgBiBr6)雙鈣鈦礦單晶的X射線直接探測,將鉛基鈣鈦礦CsPbBr3中的鉛替換為銀和鉍,從而避免鉛的使用。更重要的是,銫銀鉍溴單晶探測器具有對X射線的高靈敏度和低檢測限,主要體現在該材料具有高于鉛基鈣鈦礦的平均原子序數,從而保證X射線的高效吸收;同時其間接帶隙的躍遷特征保證該材料長的少子壽命(660 ns)和載流子擴散距離,從而提高探測器的電荷收集效率;此外,該材料缺陷濃度低且離子遷移不顯著,保證了在工作條件下的高電阻率和低噪音特征,從而有效降低探測器的檢測限。通過單晶體缺陷的降低和表面缺陷的抑制,最終制備的探測器靈敏度達到105 µC Gy air-1cm–2,最低檢測限為59.7 nGyair s-1,高溫和輻照穩定性好,綜合性能達到甚至部分超過鉛基鈣鈦礦探測器水平。論文還提出了表征鈣鈦礦離子遷移的新方法,并通過理論計算和實驗實測證實了銫銀鉍溴具有比有機無機鉛基雜化鈣鈦礦更小的離子遷移。該工作不僅為非鉛鈣鈦礦材料的光電性能理解及其指向性應用提供了新思路,其所發展的穩定靈敏無毒的X射線探測器也具有優異的技術競爭力,有希望實現產業化應用。


該工作與生命學院謝慶國教授、蘇州大學尹萬健教授、北京工業大學隋曼齡和柯小行教授合作完成,他們分別提供了X射線測試系統和測試幫助、理論計算和材料表征方面的支持;得到了科技部重點研發計劃(2016YFB0700702)、國家自然科學基金(91433105)等資助,在此一并表示感謝。


唐江教授于2012年入選“青年千人計劃”,同年加入我校光電國家實驗室。2013年獲國家自然科學基金優秀青年基金支持,2017年已通過國家自然科學基金杰出青年基金公示。其課題組主要從事硒化銻薄膜太陽能電池和鈣鈦礦光電器件研究。該工作是繼團隊以華中科技大學為第一單位在20156月《自然•光子學》(Nature Photonics),20164月《自然•通訊》(Nature Communications),20174月《自然•能源》(Nature Energy)上發表高水平論文以來,在光電轉換材料與器件領域的又一重要進展。牛廣達副研究員是課題組2016年底從清華大學引進的青年教師,進入課題組以來已經以共同通訊作者身份發表Angew. Chem. Int. Ed.等高水平文章多篇。




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