中国科大在钙钛矿软X射线探测器件领域取得重要进展

近日，中国科学技术大学微电子学院胡芹特任研究员课题组在钙钛矿软X射线探测器研究中取得新进展。团队基于钙钛矿半导体薄膜缺陷调控和PIN垂直型器件结构设计策略，实现了目前钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。相关成果以“Flexible Soft X-Ray Image Sensors based on Metal Halide Perovskites With High Quantum Efficiency”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》上，并被选为卷首插图(图1)。

自1895年被首次发现以来，X射线已经被广泛应用于医疗诊断、工业探伤、安防安检等各个重要领域，其中X射线面阵探测器是X射线成像设备中的关键部件。而针对软X射线波段(0.1-10 keV)的探测成像技术在现代科学研究中则扮演着至关重要的角色，其应用范围涵盖了天文观测、生物成像、微纳加工等多个领域。随着我国深空探测技术和同步辐射大科学装置的不断发展迭代，对高可靠性、高性能的软X射线探测器提出了更高要求。当前软X射线图像传感器市场主要由国外厂商主导的硅基CCD(Charge-coupled Device)器件占据，因此亟需开发具有我国自主知识产权的新型软X射线探测技术。此外，硅对软X射线吸收率较低，导致硅基CCD器件在灵敏度、耐辐照性方面受限，且工作时需冷却至低温导致成本较高。钙钛矿半导体具有X射线吸收系数大、载流子寿命积高、制备成本低等突出优势，在软X射线探测方面具有巨大潜力。但目前关于钙钛矿软X射线探测器的研究还相对较少，且其在量子效率等关键性能参数距离理论值还有较大差距。

针对上述问题，研究团队首先针对软X射线特点，结合光场分布模拟，优化了钙钛矿PIN垂直型光电二极管结构，最大化增加钙钛矿活性层的光吸收(图2)。特别的，采用纳米网络电极，使软X射线可以通过多尺度电极网络被活性层吸收，减轻了上电极遮挡的同时不降低载流子的提取和传输。其次，研发团队构筑了多维钙钛矿异质结，降低钙钛矿半导体薄膜缺陷，减小载流子复合的同时降低器件暗电流，提高光电响应。最终该器件在室温下达到目前已知报道的钙钛矿软X射线探测器中的最高量子效率。各项性能参数接近硅基商业化器件水平，且在基于同步辐射线站的高通量软X射线辐照下依然保持良好的稳定性。基于该高性能器件结构，团队还成功在柔性基底上制备了软X射线探测器，并实现了曲面线性成像阵列。最后，针对空间探测等极端环境应用需求，团队验证了钙钛矿器件在10-383 K极限温度范围内的工作稳定性。以上研究证明了钙钛矿半导体光电器件在新一代适应复杂光学系统的柔性软X射线成像探测系统中的应用潜力。

图2. a. 软X射线成像系统以及钙钛矿软X射线探测器结构示意图;b. Si与钙钛矿在软X射线波段的衰减长度对比，钙钛矿具有较短且较平稳的衰减长度;c. 纳米网络电极的扫描电子显微图像;d. 多维钙钛矿异质结器件能带图;e.构筑多维钙钛矿异质结前后器件性能对比;f. 钙钛矿软X射线探测器在高通量X射线的长时间照射下保持较好的稳定性。

该论文的共同第一作者为中国科学技术大学博士研究生谭鹏举和硕士研究生刘天宇，胡芹特任研究员、刘啸嵩教授、李渝博士、赵晓龙副研究员为该论文的共同通讯作者。中国科大关勇高级工程师、丁红鹤博士、焦学琛特任研究员、朱俊发教授、樊逢佳教授、杨上峰教授、龙世兵教授，美国劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授等参与了课题的联合攻关。该项研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划以及中国科学技术大学的基金资助。同时也得到了国家同步辐射实验室、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大理化科学实验中心的支持。

审核编辑 黄宇