首页 时事 民生 政务 教育 文化 科技 财富 体娱 健康 情感
更多
旅行 百科 职场 楼市 企业 乐活 学术 汽车 时尚 创业 美食 幽默 美体 文摘

Light | 精准控制结晶构建高性能钙钛矿平板X射线探测器

学术   科学   2024-07-30 15:06   吉林  
Banner 推广

撰稿 | 课题组供稿

背景、挑战与亮点

X射线探测技术广泛应用于医疗成像和工业无损检测等领域。与传统的探测器材料相比，钙钛矿（Perovskite）半导体具有原子序数大、射线吸收能力强、载流子迁移性质优异等优点，被认为是理想的下一代X射线探测材料之一。然而，X射线探测用的百微米厚钙钛矿半导体在制备过程中面临前驱体溶液表面优先结晶，阻碍内部溶剂逃逸，容易在退火结晶过程中产生孔洞和开裂等问题，为大尺寸、高性能钙钛矿平板X射线探测器的制备带来了巨大挑战。因此，开发先进成膜技术，实现与薄膜晶体管（TFT）等阵列化基板的高质量原位集成，对推动钙钛矿X射线探测器走向应用十分关键。

近日，来自中国工程物理研究院化工材料研究所郑霄家副研究员课题组联合吉林大学电子科学与工程学院沈亮教授课题组，在钙钛矿平板X射线探测器的研究中取得了新进展。该团队设计了一种以甲胺（CH3NH2，MA）和氨气（NH3）混合气氛调控钙钛矿结晶的方法，实现了在TFT基板上原位自下而上生长百微米厚的高质量准二维钙钛矿（BA2MA9Pb10I31）膜。进一步结合器件结构设计，显著提高了探测器的性能，成功获取了兼容大面积制造的高性能钙钛矿平板X射线探测器。

该工作以“Bottom-up construction of low-dimensional perovskite thick films for high-performance X-ray detection and imaging”为题目，发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》上，中国工程物理研究院博士研究生董思吟为第一作者，郑霄家副研究员和沈亮教授为通讯作者。

气氛调控实现钙钛矿半导体自下而上结晶生长

可溶液制备是钙钛矿材料的优势之一，然而，在钙钛矿成膜过程中，钙钛矿趋向于首先在溶液表面结晶，阻碍了溶剂的挥发，导致成膜质量较差。该研究团队以固-液转化法制备的液态准二维钙钛矿（BA2MA9Pb10I31·xCH3NH2）作为前驱体溶液，并采用甲胺（CH3NH2，MA）和氨气（NH3）混合气氛调控钙钛矿的结晶过程，使其自下而上结晶生长（图1），获得了厚度在几十至数百微米的高质量钙钛矿层。

图1. 钙钛矿的传统制备工艺和气氛调控工艺的对比，表明了气氛调控结晶制备高质量钙钛矿厚膜的原理。

器件结构设计优化探测器性能

该团队通过引入低温制备的二氧化钛（TiO2）介孔层，成功构建了TiO2/钙钛矿异质结X射线探测器（图2a）。该异质结探测器在暗态电流密度-电压（J-V）曲线中表现出明显的整流效应，且负偏压下的暗电流密度相较于参比器件显著降低（图2b），有利于降低噪声水平。同时，TiO2的引入促进了载流子的分离（图2c-d），使得该探测器实现了优异的灵敏度（29721.4 μC Gyair−1 cm−2）和检测下限（20.9 nGyair s−1）。

图2. （a）TiO2/钙钛矿异质结X射线探测器的结构示意图，（b）探测器的暗态电流密度-电压（J-V）曲线，（c-d）钙钛矿在不同衬底下的表面电势差图（开尔文探针力显微镜图）。

阵列化低维钙钛矿X射线探测器的集成

研究团队将TiO2和钙钛矿层与TFT基板（64×64像素）原位集成，获得了垂直器件结构（Au/钙钛矿/TiO2/TFT）的平板X射线探测器（图3a），结合自主开发的读取电路，在较低剂量下实现了对物体的清晰成像（图3b-c）。同时，该平板探测器实现了3.6 lp mm-1的高空间分辨率。

图3. （a）平板X射线探测器的结构和成像过程示意图，（b）圆珠笔和（c）数据线在X射线下的成像结果。

总结与展望

该研究工作通过CH3NH2和NH3的混合气氛成功调节了钙钛矿的结晶过程，基于自下而上生长，获得了可高效吸收X射线的高质量低维钙钛矿厚膜。进一步引入TiO2层与钙钛矿构建异质结，改善了探测器的载流子传输性能，实现了29721.4 μC Gyair−1cm−2的超高灵敏度和20.9 nGyair s−1的低检测下限。TiO2/钙钛矿异质结与TFT集成的钙钛矿平板X射线探测器实现了3.6 lp mm−1的高空间分辨率，并在较低X射线剂量下实现了物体的清晰成像。该研究工作增强了低维钙钛矿探测器作为下一代X射线探测器的竞争力。研究团队计划通过进一步优化像素尺寸和增加像素数量，推动其在医疗成像和无损检测等多个场景下的实际应用。
论文信息
Dong, S., Fan, Z., Wei, W. et al. Bottom-up construction of low-dimensional perovskite thick films for high-performance X-ray detection and imaging. Light Sci Appl 13, 174 (2024). 
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01521-2


编辑 | 郭巳秋
 欢迎课题组投稿——新闻稿

文章转载/商务合作/课题组投稿，微信：447882024


高被引文章统计

如下数据来自Web of Science，Light: Science & Applications的高被引文章数量在国内同类期刊中稳居领军地位。截至目前：


超过2000次引用的文章有1篇

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.99

超过1000次引用的文章有3篇
https://doi.org/10.1038/s41377-019‍-0194-2

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.30

超过800次引用的文章有4篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.133
超过700次引用的文章有8篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.48
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.141
https://doi.org/10.1038/lsa.2017.168
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0341-9

超过600次引用的文章有9篇

https://doi.org/10.1038/lsa.2013.28

超过500次引用的文章有14篇
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.67
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.60
https://doi.org/10.1038/lsa.2013.26
https://doi.org/10.1038‍/lsa.2014.46
https://doi.org/10.1038/s41377-018-0078-x‍
超过400次引用的文章有30篇

https://doi.org/10.1038/lsa.2014.42

https://doi.org/10.1038/lsa.2016.17

https://doi.org/10.1038/lsa.2015.30

https://doi.org/10.1038/lsa.2015.97
‍https://doi.org/10.1038/s41377-020-0326-8
‍https://doi.org/10.1038/lsa.2015.131‍
‍https://doi.org/10.1038/s41377-021-00658-8
‍https://doi.org/10.1038/s41377-018-0060-7
https://doi.org/10.1038‍/lsa.201‍7.39‍
https://doi.org/10.1038/lsa.2016.76
https://doi.org/10.1038/lsa.2012.1
‍https://doi.org/10.1038/s41377-020-0264-5‍
‍https://doi.org/10.1038‍/lsa.20‍1‍7.146‍
‍https://doi.org/10.1038/s41377-020-0268-1
https://doi.org/10.1038/lsa.2014.94

https://doi.org/10.1038/s41377-019-0148-8

超过300次引用的文章有55篇
超过200次引用的文章有129篇
超过100次引用的文章有331篇

超过50次引用的文章有639篇


欢迎课题组投宣传稿

请扫码联系值班编辑




👇 关注我 👇 

点亮“赞”和“在看”，文章更新不错过

 http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3ODY2MTkxMw==&mid=2651340119&idx=1&sn=6ae14b089e9fd5fd61dab73499086e96
LightScienceApplications
Light: Science \x26amp; Applications创刊于2012年3月29日，是由中科院长春光机所与英国自然出版集团(NPG)合作出版的全英文开放获取国际光学学术期刊，2013年10月先后被国际著名检索系统SCI 及Scopus收录
 最新文章
eLight“聚焦光梳”双综述：Ⅰ. 高效率光梳
Light Adv. Manuf. | 高质量硅基异质集成钛酸钡调制器
Light | 基于电致变色调制的微型片上光谱仪
Light综述：上转换纳米颗粒低能耗超分辨应用
Light | 基于直接反馈实现近场动态控制与操控
Light | 基于柱形结构二氧化硅覆盖层保护的银纳米岛：实现荧光和拉曼光谱的长距离增强
Light | 高效超表面的形状优化
Light | 综述：光学神经网络
Light | 多即是少：量子态对经典光压缩的启示
Light | 人工智能“引领”透过散射介质成像
Light | 元成像相机：像差鲁棒的单目深度感知
Light | 综述：基于VCSEL光子集成器件和系统
Light | EDF-RIM：扩展景深随机照明显微镜，实现超分辨率投影成像
Light | 硅基超高亮度Micro-LED微显示芯片制造
Light | 三维光子芯片中的多光子量子行走
Light | 高亮度紫外-可见-红外宽谱光源
9月ESI顶尖论文：Light 235篇文章入选
Light | 突破黑暗：光纤气体激光实现超长波长输出
Light | 定量相位显微镜：精度比较
Light | 激发波长依赖的多色长余辉发光实现动态防伪
Light | 超快响应的宽带热释电探测器
Light | 亚细胞精度神经光学调控
Light | 新型单颗粒无标记三维追踪技术
Light | 面向自驱动物联网应用的新型硫化锑室内光伏技术
Light | 基于深度学习的光子神经元胞自动机
Light | 下一代病理诊断：多光子智能病理
Light | 高效量子光源—分层极化铌酸锂波导
Light | 基于碲烯体光伏效应宽谱红外光神经调控
Light | 使用极紫外光计算成像技术检测芯片缺陷
Light | 光力调控新思路：表面费米弧形状连续演变
Light | 基于非手性结构的圆偏振光探测器
Light | 基于相变VO₂的热致变色智能窗
Light | 散射波导助力提升多结太阳能电池效率
Light | 高性能静动态感知复眼相机
Light | 突破传统机制限制：实现单点光场多维信息重构
Light | 发光标签实现植物体内信息存储和编码
Light | 激光固相合成：石墨烯包裹高熵合金纳米颗粒的定制化制备
Light | 自对偶电介质超材料和全角度全偏振布儒斯特效应
Light | 自配置光学网络处理部分相干光
Light | 深陷阱紫外长余辉发光材料用于明场环境下的光学信息存储
Light | 钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提升
Light | 非线性高阶分形拓扑绝缘体的观测
Light | 基于受激声子极化激元的片上太赫兹巨克尔效应
Light | GHz重复频率光纤激光动态增益引导孤子锁模
Light | 钙钛矿太阳能电池产业化的成就、挑战及未来展望
Light | 芯片级光参量振荡填补绿光缺口
Light | 基于超辐射的始终相干的无阈值激光器
Light | 基于单帧激光散斑的无损颗粒度检测
Light | 液晶光谱单透镜：光学成像与光谱探测功能“合二为一”
Light | 忆阻-光导传导助力阻变存储阵列无串扰读取
 分类
时事
民生
政务
教育
文化
科技
财富
体娱
健康
情感
旅行
百科
职场
楼市
企业
乐活
学术
汽车
时尚
创业
美食
幽默
美体
文摘
 原创标签
时事 社会 财经 军事 教育 体育 科技 汽车 科学 房产 搞笑 综艺 明星 音乐 动漫 游戏 时尚 健康 旅游 美食 生活 摄影 宠物 职场 育儿 情感 小说 曲艺 文化 历史 三农 文学 娱乐 电影 视频 图片 新闻 宗教 电视剧 纪录片 广告创意 壁纸头像 心灵鸡汤 星座命理 教育培训 艺术文化 金融财经 健康医疗 美妆时尚 餐饮美食 母婴育儿 社会新闻 工业农业 时事政治 星座占卜 幽默笑话 独立短篇 连载作品 文化历史 科技互联网
 发布位置
广东 北京 山东 江苏 河南 浙江 山西 福建 河北 上海 四川 陕西 湖南 安徽 湖北 内蒙古 江西 云南 广西 甘肃 辽宁 黑龙江 贵州 新疆 重庆 吉林 天津 海南 青海 宁夏 西藏 香港 澳门 台湾 美国 加拿大 澳大利亚 日本 新加坡 英国 西班牙 新西兰 韩国 泰国 法国 德国 意大利 缅甸 菲律宾 马来西亚 越南 荷兰 柬埔寨 俄罗斯 巴西 智利 卢森堡 芬兰 瑞典 比利时 瑞士 土耳其 斐济 挪威 朝鲜 尼日利亚 阿根廷 匈牙利 爱尔兰 印度 老挝 葡萄牙 乌克兰 印度尼西亚 哈萨克斯坦 塔吉克斯坦 希腊 南非 蒙古 奥地利 肯尼亚 加纳 丹麦 津巴布韦 埃及 坦桑尼亚 捷克 阿联酋 安哥拉