近日，中国科学技术大学胡芹研究员课题组在钙钛矿半导体X射线探测器研究中取得重要进展。该团队通过深入优化载流子输运特性及器件结构，成功开发出具有高灵敏度以及低检测线的高性能X射线探测器。相关成果以“Tailoring nucleation dynamics in perovskite single crystal for high-sensitivity X-ray detection and imaging”为题发表于电子学知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上（DOI: 10.1109/LED.2025.3577990）。
在医学诊断、工业检测、安全监测等众多关键领域，X射线探测技术的应用价值日益凸显。然而，传统X射线探测器在实际应用中常常面临灵敏度不足、制备工艺复杂等棘手问题，这些问题不仅限制了探测器性能的提升，也影响了其在更广泛领域的应用。在医学影像领域，高灵敏度的X射线探测器对于实现图像的高清晰度和高分辨率至关重要，它能够更精准地分辨病变部位，从而提高诊断的准确性。同时，考虑到X射线对人体存在一定的致癌风险，降低探测器的检测限可以显著减少患者接受的辐射剂量，进而降低患癌风险。因此，开发一种既能提供高灵敏度成像又能降低检测限的X射线探测器，对于提升医疗诊断水平和保障患者健康具有重大意义。
针对上述问题，本工作将研究重点聚焦于载流子输运特性和器件结构的优化上，成功实现了兼具优异性能和良好制备工艺性的X射线探测器。在载流子输运特性方面，团队凭借对晶体生长工艺的精细调控，成功获得了具备优异载流子输运性能的晶体材料，载流子迁移率-寿命乘积（μτ）达到1.42×10-3 cm2 V-1（图1b），缺陷密度低至6.26×109 cm-3（图1a）。这些特性使得探测器在X射线照射下能够更高效地收集光生载流子，从而实现更高的灵敏度和更低的检测。在器件结构设计方面，采用水平型结构，通过合理配置光吸收区域与电荷收集路径，不仅有效降低了对晶体厚度均匀性的严苛要求，极大简化了制备工艺流程，还显著增强了器件的稳定性与重复性，同时大幅提升了载流子收集效率，为探测器性能的提升奠定了坚实基础。
基于上述优化，该团队成功研制出高性能X射线探测器。测试结果表明，器件灵敏度达到5.4×104 μC Gyair-1 cm-2（图1c），较目前平面MAPbBr3器件的最高灵敏度提升 2.1 倍，检测限低至17.8 nGyair-1（图1d），不仅比标准医疗诊断要求（5.5 μGyair s-1）低近 300 倍，还比商用 CdZnTe（CZT）探测器（145 nGyair-1）低约 8 倍。在成像测试中，对刻着“U”“S”“T”“C”的字母铅板进行成像，成像结果清晰可见（图1f），展现出器件在X射线探测器良好的成像性能。
图1. 基于MAPbBr2.94Cl0.06单晶的器件性能（a）空间电荷限制电流方法计算单晶的缺陷态密度（b）拟合单晶的光电导曲线得到μτ值，（c）器件在不同反向电场下器件的灵敏度，（d）器件的信噪比与X射线剂量率的关系，线性外推得到器件的检测限，（e）X射线探测器阵列成像原理图和（i）X射线探测阵列成像结果。
