近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院胡芹特任研究員課題組在鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜缺陷調(diào)控和PIN垂直型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了目前鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器中的最高量子效率。相關(guān)成果以“Flexible Soft X-Ray Image Sensors based on Metal Halide Perovskites With High Quantum Efficiency”為題發(fā)表于國(guó)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(fā)現(xiàn)以來，X射線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)探傷、安防安檢等各個(gè)重要領(lǐng)域，其中X射線面陣探測(cè)器是X射線成像設(shè)備中的關(guān)鍵部件。而針對(duì)軟X射線波段(0.1-10 keV)的探測(cè)成像技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究中則扮演著至關(guān)重要的角色，其應(yīng)用范圍涵蓋了天文觀測(cè)、生物成像、微納加工等多個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)和同步輻射大科學(xué)裝置的不斷發(fā)展迭代，對(duì)高可靠性、高性能的軟X射線探測(cè)器提出了更高要求。當(dāng)前軟X射線圖像傳感器市場(chǎng)主要由國(guó)外廠商主導(dǎo)的硅基CCD(Charge-coupled Device)器件占據(jù)，因此亟需開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型軟X射線探測(cè)技術(shù)。此外，硅對(duì)軟X射線吸收率較低，導(dǎo)致硅基CCD器件在靈敏度、耐輻照性方面受限，且工作時(shí)需冷卻至低溫導(dǎo)致成本較高。鈣鈦礦半導(dǎo)體具有X射線吸收系數(shù)大、載流子壽命積高、制備成本低等突出優(yōu)勢(shì)，在軟X射線探測(cè)方面具有巨大潛力。但目前關(guān)于鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器的研究還相對(duì)較少，且其在量子效率等關(guān)鍵性能參數(shù)距離理論值還有較大差距。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)軟X射線特點(diǎn)，結(jié)合光場(chǎng)分布模擬，優(yōu)化了鈣鈦礦PIN垂直型光電二極管結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)電極，使軟X射線可以通過多尺度電極網(wǎng)絡(luò)被活性層吸收，減輕了上電極遮擋的同時(shí)不降低載流子的提取和傳輸。其次，研發(fā)團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)，降低鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜缺陷，減小載流子復(fù)合的同時(shí)降低器件暗電流，提高光電響應(yīng)。最終該器件在室溫下達(dá)到目前已知報(bào)道的鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器中的最高量子效率。各項(xiàng)性能參數(shù)接近硅基商業(yè)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(wěn)定性。基于該高性能器件結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)還成功在柔性基底上制備了軟X射線探測(cè)器，并實(shí)現(xiàn)了曲面線性成像陣列。最后，針對(duì)空間探測(cè)等極端環(huán)境應(yīng)用需求，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了鈣鈦礦器件在10-383 K極限溫度范圍內(nèi)的工作穩(wěn)定性。以上研究證明了鈣鈦礦半導(dǎo)體光電器件在新一代適應(yīng)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的柔性軟X射線成像探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

圖2. a. 軟X射線成像系統(tǒng)以及鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖;b. Si與鈣鈦礦在軟X射線波段的衰減長(zhǎng)度對(duì)比，鈣鈦礦具有較短且較平穩(wěn)的衰減長(zhǎng)度;c. 納米網(wǎng)絡(luò)電極的掃描電子顯微圖像;d. 多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)器件能帶圖;e.構(gòu)筑多維鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)前后器件性能對(duì)比;f. 鈣鈦礦軟X射線探測(cè)器在高通量X射線的長(zhǎng)時(shí)間照射下保持較好的穩(wěn)定性。

該論文的共同第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guó)科大關(guān)勇高級(jí)工程師、丁紅鶴博士、焦學(xué)琛特任研究員、朱俊發(fā)教授、樊逢佳教授、楊上峰教授、龍世兵教授，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Thomas P. Russell教授等參與了課題的聯(lián)合攻關(guān)。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的基金資助。同時(shí)也得到了國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科大微納研究與制造中心、中國(guó)科大理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的支持。

審核編輯 黃宇