X射線探測廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)探傷、安防安檢等諸多領(lǐng)域，其中X射線面陣探測器是影像設(shè)備中的關(guān)鍵部件。直接探測利用半導(dǎo)體材料一步將X射線轉(zhuǎn)換為電信號，可以實現(xiàn)高空間分辨率。鈣鈦礦材料由于X射線衰減序數(shù)高、載流子擴散距離長、輻照穩(wěn)定等優(yōu)勢，近年來已成為直接型X射線探測器的明星材料。

基于此，武漢理工大學(xué)夏夢玲研究員和華中科技大學(xué)牛廣達教授等在《發(fā)光學(xué)報》（EI、Scopus收錄、中文核心期刊）發(fā)表了題為“鈣鈦礦直接型X射線探測成像研究進展”的綜述文章。

文章概括了鈣鈦礦單像素探測器和與薄膜晶體管陣列（TFT）集成的面陣探測器的特點和最新研究進展，提出了目前正面對的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在解決方案，并對基于鹵化物鈣鈦礦的X射線面陣探測器的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

1. 單像素探測器

鈣鈦礦材料在X射線直接探測領(lǐng)域展開了大量研究，產(chǎn)生了各種形式的鹵化物鈣鈦礦，包括單晶、納米線、納米晶體、多晶厚膜、準單晶膜等，并已被證明對于X射線具有良好的響應(yīng)。在成像方面，圖像傳感器通常由光電探測器陣列形成，每個光電探測器作為圖像傳感器的一個像素。

但是，目前幾乎所有鈣鈦礦探測器均基于電流信號的讀出轉(zhuǎn)化為圖像的灰度而實現(xiàn)，結(jié)合X-Y雙軸移動平臺，在二維光學(xué)圖像的不同位置依次收集光信號，從而實現(xiàn)圖像傳感。單像素鈣鈦礦探測器通過沿著X-Y方向移動，獲得二維成像能力。由于圖像傳感器的大小會受到X-Y雙軸移動平臺限制，在商業(yè)應(yīng)用中更常見的是線性探測器陣列和平板探測陣列。由單個光電探測器排成一列組成的線性探測器陣列，則沿著一個方向掃描完成成像。

在單像素成像中，所有的光信號都是通過單個光電探測器的運動逐個收集的，所以成像時間非常長，對于高分辨率成像就更加緩慢；除此之外，單像素探測器不能用于動態(tài)成像，所以不適用于圖像傳感的實際應(yīng)用，通常用于構(gòu)建簡單的X射線探測器件測試材料性能。

2. TFT集成的面陣探測器

多像素成像與單像素成像最重要的區(qū)別在于，多像素成像將半導(dǎo)體材料集成到TFT中，每一個陣列就是一個光電傳感器。在TFT集成的面陣探測器中，半導(dǎo)體材料與TFT讀出電路相結(jié)合，半導(dǎo)體頂部覆蓋正面的公共電極，底部由TFT提供像素化電極。半導(dǎo)體在成像過程中產(chǎn)生的電信號存儲在讀出陣列的存儲電容中，讀出陣列在后端讀出電路的控制下，對存儲電容中的電信號逐行讀出，從而實現(xiàn)成像。圖1（a）、（b）為與TFT集成的X射線平板探測器結(jié)構(gòu)。

在成像面板的構(gòu)建中，鈣鈦礦材料的低溫制備特性使其與TFT或CMOS讀出電路耐受溫度兼容。而面陣集成需要大面積活性區(qū)域；同時，具有一定厚度的鈣鈦礦材料能更充分地吸收X射線。因此，大面積多晶鈣鈦礦厚膜是面陣探測器非常有吸引力的選擇。

為了解決鈣鈦礦厚膜內(nèi)部孔洞及缺陷的問題，如圖1（c）所示，利用軟壓輔助低溫溶液處理以及多功能粘結(jié)劑聚合制備鈣鈦礦厚膜，相較于常規(guī)方法制備厚膜，軟壓使晶粒排布更加致密，抑制離子遷移獲得高質(zhì)量厚膜。

圖1：（a）刮涂法制備的數(shù)字X射線探測器結(jié)構(gòu)；（b）鈣鈦礦材料旋轉(zhuǎn)涂敷在TFT背板；（c）鈣鈦礦厚膜制備方法，上：軟壓輔助的低溫溶液處理以及多功能粘結(jié)劑原位聚合制備，下：常規(guī)自然結(jié)晶。

3. 展望

近年來，鈣鈦礦材料在X射線探測領(lǐng)域取得了一定進步，但絕大多數(shù)仍然是基于單像素探測器的移動成像。國際國內(nèi)都已經(jīng)成功構(gòu)建與TFT集成的多像素面陣探測器，但這方面的研究才剛剛起步，目前僅有三篇報道，分別來自三星公司、西門子公司、華中科技大學(xué)/奕瑞科技聯(lián)合攻關(guān)，且仍然存在空間分辨率低的問題。要實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度和低成像劑量的面陣探測器，還需要在材料、器件結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計、探測原理等方面進行進一步探索。

（1）從材料方面：減小鈣鈦礦層內(nèi)部的離子遷移

X射線激發(fā)下，鈣鈦礦中的光生載流子(主要是電子)最終到達芯片中的存儲電容，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而抵消一部分實際偏置電壓，影響動態(tài)響應(yīng)范圍和成像分辨率。這也是X射線面陣探測器中的共性問題，如非晶硒X射線探測器通過加高電壓以確保與施加的偏壓相比電容上的電壓降可以忽略，從而保證成像質(zhì)量。隨著偏置電壓的增加，暗電流也會增大，為了使暗電流不超出芯片電容的承載能力，需要增加鈣鈦礦材料內(nèi)部的離子遷移勢壘，以抑制離子遷移。為了抑制離子遷移，需要對材料質(zhì)量進行優(yōu)化。

（2）從器件結(jié)構(gòu)方面：構(gòu)建PIN型器件結(jié)構(gòu)或肖特基電極接觸

選擇能級匹配的功能層或電極結(jié)構(gòu)，可以使得器件在偏置電壓下的注入暗電流受到能級勢壘的阻擋，而使有源區(qū)產(chǎn)生的光生載流子可以被電極有效地抽取與收集。例如引入重摻雜（>101? cm?3）的空穴傳輸層(NiO、CuI等)和電子傳輸層(ZnO、SnO?等)，構(gòu)建PIN型全耗盡器件，可以使其工作在所需的高偏置電壓下增加載流子的抽取，同時降低暗電流并抑制離子遷移。另一方面，對于鈣鈦礦單晶，可以構(gòu)筑單邊或雙邊肖特基電極接觸，例如采用低功函的Ga電極阻擋注入電子等。

（3）從芯片設(shè)計方面：兼顧電容大小和像素大小

為了配合高外加偏壓導(dǎo)致的大暗電流，芯片電容的大小需要向更大的趨勢發(fā)展；但以目前工藝，大電容會帶來像素的增大，當像素大到一定程度時，成像空間分辨率完全由像素大小決定，而與探測材料或原理無關(guān)。因此，為了實現(xiàn)更高的靈敏度和空間分辨率，芯片電容和像素尺寸的設(shè)計需要兼顧，以獲取最佳方案。

（4）從原理方面：由電荷積分型向光子計數(shù)型發(fā)展

對于室溫下工作的半導(dǎo)體X射線探測器，一般采用電荷積分和光子計數(shù)兩種信號方式。電荷積分模式對探測器在一定時間內(nèi)沉積的總能量進行積分，不量化入射光子的數(shù)量和能量，而光子計數(shù)模式可以區(qū)分入射的單個X射線光子的能量。由于成像對比度的顯著增強和輻射劑量的減少，光子計數(shù)X射線探測成像是未來醫(yī)學(xué)和無損檢測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。由于電荷捕獲和堆積，高通量光子(>100萬光子/（mm2·s）)計數(shù)受到讀出電子學(xué)的限制，目前只有CdTe和CdZnTe材料實現(xiàn)了光子計數(shù)型X射線探測器。

鈣鈦礦材料的靈敏度高，尤其是全無機CsPbBr?鈣鈦礦可與傳統(tǒng)的商用半導(dǎo)體CdZnTe材料媲美，在化學(xué)穩(wěn)定性和器件穩(wěn)定性方面也具有很大的優(yōu)勢。要實現(xiàn)基于鈣鈦礦的單光子計數(shù)型X射線探測，需要具有光譜響應(yīng)的鈣鈦礦單晶輻射探測器。目前許多載流子注入型器件表現(xiàn)出光增益，并伴隨著較大的暗電流，無法維持高外加電場，因而無法實現(xiàn)光子計數(shù)。高質(zhì)量的鈣鈦礦單晶和優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)，有望發(fā)展基于光子計數(shù)型的X射線面陣探測器。

| 作者簡介 |

孫錫娟，碩士研究生，2021年于三峽大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事鈣鈦礦X射線探測方向的研究。
E-mail：sun1511351@163. com

夏夢玲，博士，研究員，入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”。2012年、2017年分別于武漢理工大學(xué)獲學(xué)士、博士學(xué)位，2018年進入華中科技大學(xué)光學(xué)工程流動站從事博士后研究，2022年入職武漢理工大學(xué)材料學(xué)院（研究員）。主要從事半導(dǎo)體光電材料與器件的研究。
E-mail：xiamengling@whut.edu.cn

牛廣達，博士，教授，入選國家“萬人計劃”青年拔尖人才。2011年于南京大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2016年于清華大學(xué)獲博士學(xué)位，2017年入職華中科技大學(xué)。研究成果2次入選中國光學(xué)年度進展，2次入選華中科技大學(xué)重大學(xué)術(shù)進展，曾獲湖北省自然科學(xué)二等獎。主要從事金屬鹵化物X射線探測器及成像技術(shù)的研究。
E-mail：guangda_niu@hust.edu.cn

| 論文信息 |

孫錫娟，夏夢玲，許銀生等.鈣鈦礦直接型X射線探測成像研究進展[J]. 發(fā)光學(xué)報, 2022, 43(7): 1014-1026. 

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

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