項目成果中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所材料界面研究中心副研究員李佳團隊，中科院院士、西北工業(yè)大學教授黃維團隊，以及深圳先進院生物醫(yī)學與健康工程研究所生物醫(yī)學成像研究中心合作，首次將具有內部信號增益效應的異質結光電晶體管用于X射線直接探測器，實現(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。相關研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors為題，發(fā)表在Advanced Materials上。
 　　當前，X射線直接探測器多采用反向偏置二極管結構(圖1a)。這類器件普遍缺乏內部信號增益效應或增益較低，這意味著沒有足夠的信號補償方案來補充載流子復合過程中湮滅的電子-空穴對。因此，這類設備的光-電轉化效率較低，且需要使用高質量和高度均勻的X射線光電導材料(Photoconductor)以保證有效的電子-空穴的產生和傳輸，這對探測器性能的進一步提升設定了難以突破的上限，也增加了材料、器件制備的復雜性和成本。
 　　科研團隊在前期研究的基礎上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出異質結X射線光電晶體管(Heterojunction X-ray Phototransistor)這一新型器件概念，首次將具有內部信號增益效應的異質結光電晶體管引入X射線直接探測。光電晶體管是三電極型光電探測器，其溝道載流子密度可通過調控柵壓和入射光子進行有效調制，從而結合了晶體管和光電導的綜合增益效應，如圖1b所示。將這種高增益機制引入X射線探測器可以對光生電流進行放大，并使外量子效率遠超過100%，進而實現(xiàn)超靈敏的X射線直接探測。本工作中，研究團隊設計了由鈣鈦礦光電導材料與有機半導體溝道材料組成的異質結光電晶體管，實現(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)，導致高效的載流子產生、輸運與巨大的信號增益效應，使X射線直接探測靈敏度達到109μCGyair-1cm-2(圖2c)，最低可檢測劑量率低至1 nGyair s-1。同時，探測器具有較高的成像分辨率(圖2e)——X射線成像調制傳遞函數(shù)(MTF)在20%值下顯示每毫米11.2線對(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射線探測器。
 　　高增益異質結X射線光電晶體管為高性能X射線直接探測與成像開辟了新機遇，并體現(xiàn)出超靈敏、超低檢測限、高成像分辨率、輕量、柔性(圖2d)、低成本等優(yōu)點，在醫(yī)學影像、工業(yè)檢測、安檢安防、科學設備等領域具有廣闊的應用前景。該成果將激發(fā)科研人員開發(fā)各種高增益器件以實現(xiàn)直接探測不同類型高能輻射的研究動力。
 　　研究工作得到國家自然科學基金、深圳市科技計劃等的資助。
  　　圖1.a、傳統(tǒng)X射線探測器中，間接探測(左)使用閃爍體材料與光電二極管可見光探測器相互集成，X射線通過閃爍體材料轉換為可見光，可見光由光電二極管探測器探測；直接探測(右)使用如非晶硒等半導體材料，半導體吸收X射線后直接產生電子-孔穴對，在半導體材料上施加高電場，分離和收集電子-空穴對；b、X射線光電晶體管結構，異質結中電子-空穴對產生(1)、分離(2)、電子捕獲/空穴注入(3)和空穴再循環(huán)(4)產生高增益效應的過程圖示
  　　圖2.a、X射線光電晶體管器件結構；b、X射線探測的時間響應；c、X射線輻照下探測器靈敏度隨柵壓的變化關系；d、柔性X射線光電晶體管器件；e、金屬光柵的光學顯微照片(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