高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是“卡脖子”技術(shù)之一，其核心是探測器材料，這些材料的制備技術(shù)，甚至材料本身是各家公司的核心機密。新一代計算機斷層掃描成像（CT）設(shè)備已逐步開始采用直接進行光電信號轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體探測器，這些探測器要求材料對X-射線具有高靈敏度和低檢測極限以降低檢查過程中對人體的輻射劑量。目前商用X-射線探測器基于非晶硒材料，需要很高工作電壓（1 kV以上）才能保證較高靈敏度，檢測極限高，難以實現(xiàn)低劑量X-射線探測。此外，過高工作電壓增加了設(shè)備成本及危險性。碲化鎘和摻鋅碲化鎘（CZT）單晶X-射線探測性能優(yōu)于非晶硒，已研究開發(fā)多年，目前也逐漸開始商業(yè)化。然而這種單晶生長成本高，缺陷控制困難，通常一個高溫結(jié)晶的鑄塊中能夠得到的，符合要求的均勻高質(zhì)量區(qū)域最大只有1-2厘米。正處于研究前沿的是含鉛鹵化物鈣鈦礦（如CsPbBr3），這種材料易于制造大面積探測器，成本低且在低工作電壓（5 V及以下）下就可實現(xiàn)低劑量X-射線探測。但鉛鹵化物鈣鈦礦探測器在低電壓下響應(yīng)速度不足，圖像容易出現(xiàn)殘影，加大電壓提高響應(yīng)速度的同時會使暗電流大幅增大，信噪比和圖像質(zhì)量下降，因此在CT上的應(yīng)用仍處于探索中。此外，碲化鎘和鉛鹵化物鈣鈦礦等材料中都含有高濃度劇毒重金屬元素，生產(chǎn)制造過程中容易造成環(huán)境污染并危害人體健康。
近日，松山湖材料實驗室新型光電功能材料與器件團隊報道了一種可作為高靈敏和低檢測極限X-射線探測器的新型層狀范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍。該層狀材料由兩種基本層狀結(jié)構(gòu)單元，即成分為三碘化鉍（BiI3）的I-Bi-I三原子層和成分為一碘化鉍（BiI）的I-Bi-Bi-I四原子層通過范德華力堆疊形成非周期性超結(jié)構(gòu)。范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍由改進的低溫溶液晶體生長方法得到。結(jié)晶過程中使用金作為催化劑催化還原3價鉍從而得到一碘化鉍。這是首次報道通過結(jié)合催化還原的溶液晶體生長方法得到宏觀尺寸（毫米以上）的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，對類似材料的制備有重要參考意義。得益于優(yōu)異的電荷收集性能，范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍具有優(yōu)于傳統(tǒng)三碘化鉍單晶的X-射線探測性能，可實現(xiàn)低劑量X-射線探測。
圖1. 溶液方法生長的層狀范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍
通過XRD，XPS和STEM證實I-Bi-I三原子層和I-Bi-Bi-I四原子層通過范德華力堆疊形成的超結(jié)構(gòu)。I-Bi-Bi-I四原子層內(nèi)部存在Bi雙原子層，具有高電子遷移率，有利于電荷傳輸（圖2）。
圖2. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的結(jié)構(gòu)表征
通過DRS和UPS確定了異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍中的雙帶隙，表明BiI3-BiI界面處存在內(nèi)建電場，有助于電子-空穴對分離。暗態(tài)I-V測試結(jié)果表明小帶隙（0.7 eV）的BiI不會大幅度降低電阻，材料整體仍具有大電阻，電流噪聲小，表現(xiàn)出優(yōu)異的X-射線開/關(guān)性能，信噪比高達2000，檢測極限低至34 nGy s-1，約為醫(yī)用X-射線標(biāo)準(zhǔn)劑量的1/100（圖3、圖4）。
圖3. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的能帶及電阻
圖4. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的X-射線開/關(guān)響應(yīng)及檢測極限
異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍具有優(yōu)良的X-射線吸收性能及高靈敏度，重復(fù)/長時間連續(xù)X-射線照射及冷水浸泡實驗表明有良好的輻射及潮濕環(huán)境穩(wěn)定性。材料無毒環(huán)保，制備過程簡易，成本低，在較高電壓（50-200 V）下仍有良好信噪比，有望用于CT圖像領(lǐng)域（圖5）。
圖5. 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)碘化鉍的X-射線吸收，靈敏度及穩(wěn)定性
相關(guān)成果以“Solution-grown BiI/BiI3 van der Waals heterostructures for sensitive X-ray detection”在國際著名期刊Nature Communications上發(fā)表。莊任重（現(xiàn)為龍巖學(xué)院教授）為第一作者，松山湖材料實驗室張廣宇研究員和林生晃研究員為論文共同通訊作者。
作者簡介
通訊作者 張廣宇，中科院物理所研究員、課題組長、納米實驗室主任、凝聚態(tài)物理國家科學(xué)中心副主任、松山湖材料實驗室副主任。
長期從事二維原子晶體材料包括石墨烯、二硫化鉬的科學(xué)研究，在二維原子晶體的可控制備與加工、物性調(diào)控、功能電子器件與量子輸運等方面開展了系統(tǒng)研究并取得了突出的研究成果。發(fā)表論文150余篇，包括Science 4 篇、Nature 2篇，Nature子刊17 篇，他引12500余次，H-index為50。鑒于其出色的科研工作，張廣宇先后獲得了中科院高層次人才計劃、基金委杰出青年基金、中組部萬人計劃首批青年拔尖人才等重要項目的資助，他的這些研究成果獲得過北京市科技獎一等獎、中科院“杰出科技成就獎”的表彰，他個人被授予中科院青年科學(xué)家獎、中國物理學(xué)會胡剛復(fù)物理獎、中組部萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、科技部創(chuàng)新人才推進計劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等榮譽。
通訊作者 林生晃，松山湖材料實驗室研究員，團隊負責(zé)人。
主要從事低維光電功能材料與器件的研發(fā)以及光電子集成方面的工作，聚焦新材料體系的構(gòu)建和新型光電子器件的系統(tǒng)集成，以期為下一代光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新思路。已發(fā)表論文90余篇，包括Nature Communications、ACS Nano、Advanced Materials等。
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(來源：半導(dǎo)體學(xué)報)
