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項(xiàng)目成果中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料科學(xué)與工程研究所材料界面研究中心副研究員李佳團(tuán)隊(duì)，中科院院士、西北工業(yè)大學(xué)教授黃維團(tuán)隊(duì)，以及深圳先進(jìn)院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所生物醫(yī)學(xué)成像研究中心合作，首次將具有內(nèi)部信號(hào)增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管用于X射線直接探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了超靈敏、超低輻射劑量、超高成像分辨的X射線直接探測(cè)。相關(guān)研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors為題，發(fā)表在Advanced Materials上。
當(dāng)前，X射線直接探測(cè)器多采用反向偏置二極管結(jié)構(gòu)(圖1a)。這類器件普遍缺乏內(nèi)部信號(hào)增益效應(yīng)或增益較低，這意味著沒有足夠的信號(hào)補(bǔ)償方案來補(bǔ)充載流子復(fù)合過程中湮滅的電子-空穴對(duì)。因此，這類設(shè)備的光-電轉(zhuǎn)化效率較低，且需要使用高質(zhì)量和高度均勻的X射線光電導(dǎo)材料(Photoconductor)以保證有效的電子-空穴的產(chǎn)生和傳輸，這對(duì)探測(cè)器性能的進(jìn)一步提升設(shè)定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復(fù)雜性和成本。
科研團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管(Heterojunction X-ray Phototransistor)這一新型器件概念，首次將具有內(nèi)部信號(hào)增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管引入X射線直接探測(cè)。光電晶體管是三電極型光電探測(cè)器，其溝道載流子密度可通過調(diào)控柵壓和入射光子進(jìn)行有效調(diào)制，從而結(jié)合了晶體管和光電導(dǎo)的綜合增益效應(yīng)，如圖1b所示。將這種高增益機(jī)制引入X射線探測(cè)器可以對(duì)光生電流進(jìn)行放大，并使外量子效率遠(yuǎn)超過100%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超靈敏的X射線直接探測(cè)。本工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了由鈣鈦礦光電導(dǎo)材料與有機(jī)半導(dǎo)體溝道材料組成的異質(zhì)結(jié)光電晶體管，實(shí)現(xiàn)了高效的X射線吸收，獲得了快速的載流子再注入與循環(huán)，導(dǎo)致高效的載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)與巨大的信號(hào)增益效應(yīng)，使X射線直接探測(cè)靈敏度達(dá)到109μCGyair-1cm-2(圖2c)，最低可檢測(cè)劑量率低至1 nGyair s-1。同時(shí)，探測(cè)器具有較高的成像分辨率(圖2e)——X射線成像調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在20%值下顯示每毫米11.2線對(duì)(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射線探測(cè)器。
高增益異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管為高性能X射線直接探測(cè)與成像開辟了新機(jī)遇，并體現(xiàn)出超靈敏、超低檢測(cè)限、高成像分辨率、輕量、柔性(圖2d)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測(cè)、安檢安防、科學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該成果將激發(fā)科研人員開發(fā)各種高增益器件以實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)不同類型高能輻射的研究動(dòng)力。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃等的資助。
圖1.a、傳統(tǒng)X射線探測(cè)器中，間接探測(cè)(左)使用閃爍體材料與光電二極管可見光探測(cè)器相互集成，X射線通過閃爍體材料轉(zhuǎn)換為可見光，可見光由光電二極管探測(cè)器探測(cè)；直接探測(cè)(右)使用如非晶硒等半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體吸收X射線后直接產(chǎn)生電子-孔穴對(duì)，在半導(dǎo)體材料上施加高電場(chǎng)，分離和收集電子-空穴對(duì)；b、X射線光電晶體管結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)中電子-空穴對(duì)產(chǎn)生(1)、分離(2)、電子捕獲/空穴注入(3)和空穴再循環(huán)(4)產(chǎn)生高增益效應(yīng)的過程圖示
圖2.a、X射線光電晶體管器件結(jié)構(gòu)；b、X射線探測(cè)的時(shí)間響應(yīng)；c、X射線輻照下探測(cè)器靈敏度隨柵壓的變化關(guān)系；d、柔性X射線光電晶體管器件；e、金屬光柵的光學(xué)顯微照片(上)與X射線成像圖(下)，scale-bar為200微米；f、X射線光電晶體管的MTF曲線
當(dāng)前，X射線直接探測(cè)器多采用反向偏置二極管結(jié)構(gòu)(圖1a)。這類器件普遍缺乏內(nèi)部信號(hào)增益效應(yīng)或增益較低，這意味著沒有足夠的信號(hào)補(bǔ)償方案來補(bǔ)充載流子復(fù)合過程中湮滅的電子-空穴對(duì)。因此，這類設(shè)備的光-電轉(zhuǎn)化效率較低，且需要使用高質(zhì)量和高度均勻的X射線光電導(dǎo)材料(Photoconductor)以保證有效的電子-空穴的產(chǎn)生和傳輸，這對(duì)探測(cè)器性能的進(jìn)一步提升設(shè)定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復(fù)雜性和成本。
科研團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管(Heterojunction X-ray Phototransistor)這一新型器件概念，首次將具有內(nèi)部信號(hào)增益效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)光電晶體管引入X射線直接探測(cè)。光電晶體管是三電極型光電探測(cè)器，其溝道載流子密度可通過調(diào)控柵壓和入射光子進(jìn)行有效調(diào)制，從而結(jié)合了晶體管和光電導(dǎo)的綜合增益效應(yīng)，如圖1b所示。將這種高增益機(jī)制引入X射線探測(cè)器可以對(duì)光生電流進(jìn)行放大，并使外量子效率遠(yuǎn)超過100%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超靈敏的X射線直接探測(cè)。本工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了由鈣鈦礦光電導(dǎo)材料與有機(jī)半導(dǎo)體溝道材料組成的異質(zhì)結(jié)光電晶體管，實(shí)現(xiàn)了高效的X射線吸收，獲得了快速的載流子再注入與循環(huán)，導(dǎo)致高效的載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)與巨大的信號(hào)增益效應(yīng)，使X射線直接探測(cè)靈敏度達(dá)到109μCGyair-1cm-2(圖2c)，最低可檢測(cè)劑量率低至1 nGyair s-1。同時(shí)，探測(cè)器具有較高的成像分辨率(圖2e)——X射線成像調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在20%值下顯示每毫米11.2線對(duì)(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射線探測(cè)器。
高增益異質(zhì)結(jié)X射線光電晶體管為高性能X射線直接探測(cè)與成像開辟了新機(jī)遇，并體現(xiàn)出超靈敏、超低檢測(cè)限、高成像分辨率、輕量、柔性(圖2d)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測(cè)、安檢安防、科學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該成果將激發(fā)科研人員開發(fā)各種高增益器件以實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)不同類型高能輻射的研究動(dòng)力。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃等的資助。
圖1.a、傳統(tǒng)X射線探測(cè)器中，間接探測(cè)(左)使用閃爍體材料與光電二極管可見光探測(cè)器相互集成，X射線通過閃爍體材料轉(zhuǎn)換為可見光，可見光由光電二極管探測(cè)器探測(cè)；直接探測(cè)(右)使用如非晶硒等半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體吸收X射線后直接產(chǎn)生電子-孔穴對(duì)，在半導(dǎo)體材料上施加高電場(chǎng)，分離和收集電子-空穴對(duì)；b、X射線光電晶體管結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)中電子-空穴對(duì)產(chǎn)生(1)、分離(2)、電子捕獲/空穴注入(3)和空穴再循環(huán)(4)產(chǎn)生高增益效應(yīng)的過程圖示
圖2.a、X射線光電晶體管器件結(jié)構(gòu)；b、X射線探測(cè)的時(shí)間響應(yīng)；c、X射線輻照下探測(cè)器靈敏度隨柵壓的變化關(guān)系；d、柔性X射線光電晶體管器件；e、金屬光柵的光學(xué)顯微照片(上)與X射線成像圖(下)，scale-bar為200微米；f、X射線光電晶體管的MTF曲線
