发光学报 | 钙钛矿直接型 X 射线探测成像

X射线探测广泛应用于医疗诊断、工业探伤、安防安检等诸多领域，其中X射线面阵探测器是影像设备中的关键部件。直接探测利用半导体材料一步将X射线转换为电信号，可以实现高空间分辨率。钙钛矿材料由于X射线衰减序数高、载流子扩散距离长、辐照稳定等优势，近年来已成为直接型X射线探测器的明星材料。

基于此，武汉理工大学夏梦玲研究员和华中科技大学牛广达教授等在《发光学报》（EI、Scopus收录、中文核心期刊）发表了题为“钙钛矿直接型X射线探测成像研究进展”的综述文章。

文章概括了钙钛矿单像素探测器和与薄膜晶体管阵列（TFT）集成的面阵探测器的特点和最新研究进展，提出了目前正面对的技术挑战和潜在解决方案，并对基于卤化物钙钛矿的X射线面阵探测器的未来发展趋势进行了展望。

1. 单像素探测器

钙钛矿材料在X射线直接探测领域展开了大量研究，产生了各种形式的卤化物钙钛矿，包括单晶、纳米线、纳米晶体、多晶厚膜、准单晶膜等，并已被证明对于X射线具有良好的响应。在成像方面，图像传感器通常由光电探测器阵列形成，每个光电探测器作为图像传感器的一个像素。

但是，目前几乎所有钙钛矿探测器均基于电流信号的读出转化为图像的灰度而实现，结合X-Y双轴移动平台，在二维光学图像的不同位置依次收集光信号，从而实现图像传感。单像素钙钛矿探测器通过沿着X-Y方向移动，获得二维成像能力。由于图像传感器的大小会受到X-Y双轴移动平台限制，在商业应用中更常见的是线性探测器阵列和平板探测阵列。由单个光电探测器排成一列组成的线性探测器阵列，则沿着一个方向扫描完成成像。

在单像素成像中，所有的光信号都是通过单个光电探测器的运动逐个收集的，所以成像时间非常长，对于高分辨率成像就更加缓慢；除此之外，单像素探测器不能用于动态成像，所以不适用于图像传感的实际应用，通常用于构建简单的X射线探测器件测试材料性能。

2. TFT集成的面阵探测器

多像素成像与单像素成像最重要的区别在于，多像素成像将半导体材料集成到TFT中，每一个阵列就是一个光电传感器。在TFT集成的面阵探测器中，半导体材料与TFT读出电路相结合，半导体顶部覆盖正面的公共电极，底部由TFT提供像素化电极。半导体在成像过程中产生的电信号存储在读出阵列的存储电容中，读出阵列在后端读出电路的控制下，对存储电容中的电信号逐行读出，从而实现成像。图1（a）、（b）为与TFT集成的X射线平板探测器结构。

在成像面板的构建中，钙钛矿材料的低温制备特性使其与TFT或CMOS读出电路耐受温度兼容。而面阵集成需要大面积活性区域；同时，具有一定厚度的钙钛矿材料能更充分地吸收X射线。因此，大面积多晶钙钛矿厚膜是面阵探测器非常有吸引力的选择。

为了解决钙钛矿厚膜内部孔洞及缺陷的问题，如图1（c）所示，利用软压辅助低温溶液处理以及多功能粘结剂聚合制备钙钛矿厚膜，相较于常规方法制备厚膜，软压使晶粒排布更加致密，抑制离子迁移获得高质量厚膜。

图1：（a）刮涂法制备的数字X射线探测器结构；（b）钙钛矿材料旋转涂敷在TFT背板；（c）钙钛矿厚膜制备方法，上：软压辅助的低温溶液处理以及多功能粘结剂原位聚合制备，下：常规自然结晶。

3. 展望

近年来，钙钛矿材料在X射线探测领域取得了一定进步，但绝大多数仍然是基于单像素探测器的移动成像。国际国内都已经成功构建与TFT集成的多像素面阵探测器，但这方面的研究才刚刚起步，目前仅有三篇报道，分别来自三星公司、西门子公司、华中科技大学/奕瑞科技联合攻关，且仍然存在空间分辨率低的问题。要实现高分辨率、高灵敏度和低成像剂量的面阵探测器，还需要在材料、器件结构、芯片设计、探测原理等方面进行进一步探索。

（1）从材料方面：减小钙钛矿层内部的离子迁移

X射线激发下，钙钛矿中的光生载流子(主要是电子)最终到达芯片中的存储电容，产生感应电压，从而抵消一部分实际偏置电压，影响动态响应范围和成像分辨率。这也是X射线面阵探测器中的共性问题，如非晶硒X射线探测器通过加高电压以确保与施加的偏压相比电容上的电压降可以忽略，从而保证成像质量。随着偏置电压的增加，暗电流也会增大，为了使暗电流不超出芯片电容的承载能力，需要增加钙钛矿材料内部的离子迁移势垒，以抑制离子迁移。为了抑制离子迁移，需要对材料质量进行优化。

（2）从器件结构方面：构建PIN型器件结构或肖特基电极接触

选择能级匹配的功能层或电极结构，可以使得器件在偏置电压下的注入暗电流受到能级势垒的阻挡，而使有源区产生的光生载流子可以被电极有效地抽取与收集。例如引入重掺杂（>10¹⁸ cm⁻³）的空穴传输层(NiO、CuI等)和电子传输层(ZnO、SnO₂等)，构建PIN型全耗尽器件，可以使其工作在所需的高偏置电压下增加载流子的抽取，同时降低暗电流并抑制离子迁移。另一方面，对于钙钛矿单晶，可以构筑单边或双边肖特基电极接触，例如采用低功函的Ga电极阻挡注入电子等。

（3）从芯片设计方面：兼顾电容大小和像素大小

为了配合高外加偏压导致的大暗电流，芯片电容的大小需要向更大的趋势发展；但以目前工艺，大电容会带来像素的增大，当像素大到一定程度时，成像空间分辨率完全由像素大小决定，而与探测材料或原理无关。因此，为了实现更高的灵敏度和空间分辨率，芯片电容和像素尺寸的设计需要兼顾，以获取最佳方案。

（4）从原理方面：由电荷积分型向光子计数型发展

对于室温下工作的半导体X射线探测器，一般采用电荷积分和光子计数两种信号方式。电荷积分模式对探测器在一定时间内沉积的总能量进行积分，不量化入射光子的数量和能量，而光子计数模式可以区分入射的单个X射线光子的能量。由于成像对比度的显著增强和辐射剂量的减少，光子计数X射线探测成像是未来医学和无损检测领域的重要发展方向。由于电荷捕获和堆积，高通量光子(>100万光子/（mm²·s）)计数受到读出电子学的限制，目前只有CdTe和CdZnTe材料实现了光子计数型X射线探测器。

钙钛矿材料的灵敏度高，尤其是全无机CsPbBr₃钙钛矿可与传统的商用半导体CdZnTe材料媲美，在化学稳定性和器件稳定性方面也具有很大的优势。要实现基于钙钛矿的单光子计数型X射线探测，需要具有光谱响应的钙钛矿单晶辐射探测器。目前许多载流子注入型器件表现出光增益，并伴随着较大的暗电流，无法维持高外加电场，因而无法实现光子计数。高质量的钙钛矿单晶和优化的器件结构，有望发展基于光子计数型的X射线面阵探测器。

| 作者简介 |

孙锡娟，硕士研究生，2021年于三峡大学获得学士学位，主要从事钙钛矿X射线探测方向的研究。
E-mail：sun1511351@163. com

夏梦玲，博士，研究员，入选中国科协“青年人才托举工程”。2012年、2017年分别于武汉理工大学获学士、博士学位，2018年进入华中科技大学光学工程流动站从事博士后研究，2022年入职武汉理工大学材料学院（研究员）。主要从事半导体光电材料与器件的研究。
E-mail：xiamengling@whut.edu.cn

牛广达，博士，教授，入选国家“万人计划”青年拔尖人才。2011年于南京大学获学士学位，2016年于清华大学获博士学位，2017年入职华中科技大学。研究成果2次入选中国光学年度进展，2次入选华中科技大学重大学术进展，曾获湖北省自然科学二等奖。主要从事金属卤化物X射线探测器及成像技术的研究。
E-mail：guangda_niu@hust.edu.cn

| 论文信息 |

孙锡娟，夏梦玲，许银生等.钙钛矿直接型X射线探测成像研究进展[J]. 发光学报, 2022, 43(7): 1014-1026. 

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220119

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