近日，中國科學技術大學微電子學院胡芹特任研究員課題組在鈣鈦礦軟X射線探測器研究中取得新進展。團隊基于鈣鈦礦半導體薄膜缺陷調控和PIN垂直型器件結構設計策略，實現了目前鈣鈦礦軟X射線探測器中的最高量子效率。相關成果以“Flexible Soft X-Ray Image Sensors based on Metal Halide Perovskites With High Quantum Efficiency”為題發表于國際知名期刊《Advanced Materials》上，并被選為卷首插圖(圖1)。

自1895年被首次發現以來，X射線已經被廣泛應用于醫療診斷、工業探傷、安防安檢等各個重要領域，其中X射線面陣探測器是X射線成像設備中的關鍵部件。而針對軟X射線波段(0.1-10 keV)的探測成像技術在現代科學研究中則扮演著至關重要的角色，其應用范圍涵蓋了天文觀測、生物成像、微納加工等多個領域。隨著我國深空探測技術和同步輻射大科學裝置的不斷發展迭代，對高可靠性、高性能的軟X射線探測器提出了更高要求。當前軟X射線圖像傳感器市場主要由國外廠商主導的硅基CCD(Charge-coupled Device)器件占據，因此亟需開發具有我國自主知識產權的新型軟X射線探測技術。此外，硅對軟X射線吸收率較低，導致硅基CCD器件在靈敏度、耐輻照性方面受限，且工作時需冷卻至低溫導致成本較高。鈣鈦礦半導體具有X射線吸收系數大、載流子壽命積高、制備成本低等突出優勢，在軟X射線探測方面具有巨大潛力。但目前關于鈣鈦礦軟X射線探測器的研究還相對較少，且其在量子效率等關鍵性能參數距離理論值還有較大差距。

針對上述問題，研究團隊首先針對軟X射線特點，結合光場分布模擬，優化了鈣鈦礦PIN垂直型光電二極管結構，最大化增加鈣鈦礦活性層的光吸收(圖2)。特別的，采用納米網絡電極，使軟X射線可以通過多尺度電極網絡被活性層吸收，減輕了上電極遮擋的同時不降低載流子的提取和傳輸。其次，研發團隊構筑了多維鈣鈦礦異質結，降低鈣鈦礦半導體薄膜缺陷，減小載流子復合的同時降低器件暗電流，提高光電響應。最終該器件在室溫下達到目前已知報道的鈣鈦礦軟X射線探測器中的最高量子效率。各項性能參數接近硅基商業化器件水平，且在基于同步輻射線站的高通量軟X射線輻照下依然保持良好的穩定性。基于該高性能器件結構，團隊還成功在柔性基底上制備了軟X射線探測器，并實現了曲面線性成像陣列。最后，針對空間探測等極端環境應用需求，團隊驗證了鈣鈦礦器件在10-383 K極限溫度范圍內的工作穩定性。以上研究證明了鈣鈦礦半導體光電器件在新一代適應復雜光學系統的柔性軟X射線成像探測系統中的應用潛力。

圖2. a. 軟X射線成像系統以及鈣鈦礦軟X射線探測器結構示意圖;b. Si與鈣鈦礦在軟X射線波段的衰減長度對比，鈣鈦礦具有較短且較平穩的衰減長度;c. 納米網絡電極的掃描電子顯微圖像;d. 多維鈣鈦礦異質結器件能帶圖;e.構筑多維鈣鈦礦異質結前后器件性能對比;f. 鈣鈦礦軟X射線探測器在高通量X射線的長時間照射下保持較好的穩定性。

該論文的共同第一作者為中國科學技術大學博士研究生譚鵬舉和碩士研究生劉天宇，胡芹特任研究員、劉嘯嵩教授、李渝博士、趙曉龍副研究員為該論文的共同通訊作者。中國科大關勇高級工程師、丁紅鶴博士、焦學琛特任研究員、朱俊發教授、樊逢佳教授、楊上峰教授、龍世兵教授，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Thomas P. Russell教授等參與了課題的聯合攻關。該項研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃以及中國科學技術大學的基金資助。同時也得到了國家同步輻射實驗室、中國科大微納研究與制造中心、中國科大理化科學實驗中心的支持。

審核編輯 黃宇