【国内论文】AFM丨山东大学穆文祥教授团队：互补材料集成-通过β-Ga₂O₃/3D/2D金属卤化物钙钛矿异质结协同优化X射线探测器低噪声与高信号实现高探测率

        由山东大学穆文祥教授的研究团队在学术期刊 Advanced Functional Materials 发布了一篇名为“Complementary Material Integration: Co-Optimizing Low Noise and High Signal in X-Ray Detectors for High Detectivity via β-Ga₂O₃/3D/2D Metal Halide Perovskite Heterojunction”（“互补材料集成”策略：基于 β-Ga₂O₃/3D/2D 金属卤化物钙钛矿异质结协同优化 X 射线探测器的低噪声与高信号以实现高探测率）的文章。

        《Advanced Functional Materials》（影响因子：19.0）涵盖广泛领域，具有重要的学术影响力。该刊广泛涉及工程技术及材料科学等多个领域，每周发布材料科学领域的最新研究成果，包括纳米技术、化学、物理学以及生物学等多个子领域。凭借其高效的同行评审制度、优质的内容以及广泛的影响力， 《Advanced Functional Materials》涉及材料科学及工程技术等领域，是国际材料科学领域的重要期刊，被国际权威自然指数评选为顶级期刊之一。

        X 射线广泛应用于医学成像、安检与工业无损探伤领域。受电离辐射危害限制，探测器需要遵循辐射合理可达到最低（ALARA，as low as reasonably achievable）原则，在低剂量条件下实现高对比度成像，同时兼顾高灵敏度与低探测限。灵敏度主要取决于半导体的电子‑空穴对产生能、迁移率‑寿命（µτ）积、X 射线吸收效率与光电导增益；探测限则由信噪比（SNR）决定。高电阻率材料能够压低暗电流、抑制噪声，但单一材料很难同时实现高电阻率、低电子‑空穴对产生能与高 µτ 积。硅（Si）X 射线吸收弱；非晶硒（a‑Se）µτ 积偏低；碲锌镉（CZT）性能优异，但晶体规模化制备、组分均匀性、缺陷控制制约其商业化。β-Ga₂O₃ 作为第四代半导体，密度大、电阻率可调、抗辐照，但是高阻掺杂会劣化 µτ 积，造成灵敏度下降。金属卤化物钙钛矿（MHP）X 射线吸收强、µτ 积高；三维（3D）钙钛矿灵敏度高，但电阻率低、离子迁移严重；二维（2D）钙钛矿电阻率高，却载流子输运较差。单一材料体系存在本征权衡矛盾，因此亟需新策略打破性能瓶颈。

        在低剂量 X 射线条件下实现高对比度成像是 X 射线探测器的核心挑战，单一材料很难协同实现低暗电流与高灵敏度。该团队提出互补材料集成（CMI，complementary material integration）策略，将高电阻率宽禁带氧化物与高迁移率‑寿命（µτ）积钙钛矿相结合，并基于 β-Ga₂O₃/3D/2D 金属卤化物钙钛矿（MHP）异质结构完成该策略的器件验证。β-Ga₂O₃ 的高电阻率保障低噪声，同时与二维 MHP 层结合可对三维 MHP 有源层实现有效钝化，兼顾高性能与稳定性。该探测器 µτ 积可达 1.61×10⁻³ cm² V⁻¹；在 100 V 偏压下暗电流仅为 1.09 pA；灵敏度达到 7140 µC Gyair ⁻¹ cm⁻²；准探测率（S√A/I_Dark）为 354.86 C Gy⁻¹ cm⁻¹ A⁻¹ᐟ²，探测限低至 8.16 nGy s⁻¹。在医学安全剂量率 2.944 µGy s⁻¹ 条件下，探测器实现信噪比（SNR）=138.0 的高对比度 X 射线成像。该工作实现低暗电流、高灵敏度与低探测限的协同优化，为高性能 X 射线成像器件提供了互补材料集成新方案。

        ①提出互补材料集成（CMI）新策略：该团队提出互补材料集成（CMI）设计思路，不再依赖单一半导体同时满足全部性能，将高阻氧化物体相的低噪声优势与钙钛矿高迁移率‑寿命（µτ）积的高信号优势进行功能分区协同，打破电阻率与载流子输运之间本征权衡限制。

        ②构建 β-Ga₂O₃/3D/2D MHP 异质结 X 射线探测器：该团队制备 β-Ga₂O₃/3D MAPbBr₃/2D MA₃Bi₂I₆Br₃ 异质结器件；β-Ga₂O₃ 作为高阻 X 射线吸收层，二维钙钛矿一方面钝化三维钙钛矿缺陷、抑制离子迁移，另一方面利用能带偏移抑制暗电流，三维钙钛矿保障高效载流子输运。

        ③实现优异综合探测性能：器件在 100 V 偏压下暗电流低至 1.09 pA，灵敏度达到 7140 µC Gyair ⁻¹ cm⁻²，探测限低至 8.16 nGy s⁻¹，准探测率优于多数已报道氧化物及钙钛矿基 X 射线探测器，同时暗电流漂移得到显著抑制。

        ④实现低剂量高对比度 X 射线成像验证：在医学安全剂量率（2.944 µGy s⁻¹）条件下，该异质结探测器获得信噪比 SNR=138.0 的高质量成像，器件同时具备自驱动探测能力与环境存储稳定性，面向临床低剂量 X 射线成像展现应用潜力。

        该工作提出互补材料集成（CMI）策略，将高电阻率宽禁带氧化物与高迁移率‑寿命（µτ）积钙钛矿进行结合，并制备 β-Ga₂O₃/3D/2D MHP 异质结 X 射线探测器对该策略开展验证。该器件拥有优异的 µτ 积（1.61×10⁻³ cm² V⁻¹）以及较低的暗电流漂移（3.57×10⁻⁷ nA cm⁻¹ s⁻¹ V⁻¹）。在 100 V 偏压条件下，探测器实现 7140 µC Gyair⁻¹ cm⁻² 的高灵敏度，暗电流仅 1.09 pA，探测限低至 8.16 nGy s⁻¹。得益于低暗电流和高灵敏度的协同优势，器件准探测率可达 354.86 C Gy⁻¹ cm⁻¹ A⁻¹ᐟ²，可在 2.944 µGy s⁻¹ 的低 X 射线剂量下实现信噪比（SNR）=138 的高对比度成像。借助 CMI 策略，该团队成功协同优化低暗电流、高灵敏度与低探测限，为开发具备低探测限的高性能 X 射线成像器件提供可行方案。

        该工作得到了以下项目资助：国家重点研发计划（2024YFA1208800）、深圳市基础研究计划（GJHZ20220913142605011）、国家自然科学基金（NSFC）（52572176、U23A20358）、山东省自然科学基金（ZR2023ZD05 和 2022TSGC2120）以及固态微波器件与电路国家重点实验室（2025LB015-4）的支持。

图 1. β-Ga₂O₃/MHP X 射线探测器的设计思路。(a) X 射线照射下半导体中载流子的产生与分离，(b) 载流子输运过程示意图；(c) 电阻率、载流子生成能与 µτ 之间的权衡关系；(d) X 射线探测器暗电流与光电流典型关系示意图；(e) 暗电流与灵敏度之间的权衡关系；(f) 典型金属卤化物钙钛矿以及 Ga₂O₃ 等氧化物 X 射线探测器的暗电流‑灵敏度分布；(g) 本研究 X 射线探测器的设计示意图以及对应的工作机理。

图 2. β-Ga₂O₃/MHP 异质结的制备与表征。(a) β-Ga₂O₃/MHP 异质结的制备流程，试剂瓶代表钙钛矿前驱体溶液；(b) MAPbBr₃ 与 MA₃Bi₂I₆Br₃ 薄膜的 XRD 图谱；(c) β-Ga₂O₃/MAPbBr₃/MA₃Bi₂I₆Br₃ 薄膜表面 SEM 图；(d) β-Ga₂O₃/MAPbBr₃/MA₃Bi₂I₆Br₃ 薄膜截面 SEM 图。

图 3.β‑Ga₂O₃、MAPbBr₃、MA₃Bi₂I₆Br₃ 的光学表征与能带排布。(a) β‑Ga₂O₃ 的透射谱、UV‑vis 吸收谱与 Tauc 曲线（插图）；(b) MAPbBr₃ 的 UV‑vis 吸收谱与 Tauc 曲线（插图）；(c) MA₃Bi₂I₆Br₃ 的 UV‑vis 吸收谱与 Tauc 曲线（插图）；(d) β‑Ga₂O₃ 的 XPS 价带谱；(e) MAPbBr₃ 的 XPS 价带谱；(f) MA₃Bi₂I₆Br₃ 的 XPS 价带谱；(g) β‑Ga₂O₃/MAPbBr₃/MA₃Bi₂I₆Br₃ 的能带排布示意图；(h) 零偏压下 X 射线照射时载流子转移过程；(i) 施加偏压条件下 X 射线照射时载流子转移过程。

图 4. β-Ga₂O₃/MHP 探测器的 X 射线吸收与载流子输运性能。(a) β-Ga₂O₃/3D/2D X 射线探测器器件结构示意图；(b) Si、a-Se、Ga₂O₃、MAPbBr₃、MA₃Bi₂I₆Br₃ 等半导体在不同光子能量下 X 射线吸收系数；(c) 40 keV X 射线下，Ga₂O₃、MAPbBr₃、MA₃Bi₂I₆Br₃ 衰减效率随厚度变化；(d) 对数坐标下的暗态 I-V 曲线；(e) 7.429 µGy s⁻¹ 的 40 keV X 射线下，三种异质结探测器光电导随偏压变化；(f) 100 V 条件下三种 X 射线探测器暗电流长期稳定性测试。

图 5. 三种不同 β-Ga₂O₃/MHP 探测器性能对比。(a) β-Ga₂O₃/3D/2D 探测器在 2.944-7.429 µGy s⁻¹ 剂量率、不同电压下的 X 射线响应；(b) 100 V 下三种探测器 X 射线响应；(c) 100 V 下三种探测器净光电流密度随剂量率变化；(d) 灵敏度随电压变化；(e) 准探测率随电压变化；(f) 三种探测器探测限；(g) 本研究三种探测器多维性能雷达图对比；(h) 该器件与代表性 X 射线探测器的暗电流-灵敏度对比；(i) 该器件与代表性 X 射线探测器探测限-准探测率对比。

图 6. β-Ga₂O₃/3D、β-Ga₂O₃/2D、β-Ga₂O₃/3D/2D 探测器的 X 射线成像。(a) X 射线成像系统和面阵列探测器示意图；(b-d) β-Ga₂O₃/3D、β-Ga₂O₃/2D、β-Ga₂O₃/3D/2D 探测器的 X 射线响应；(e-g) 40 keV X 射线下三种探测器的 X 射线成像图。所有图像电流密度标度跨度统一为 35 nA cm⁻²。

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.78571